硅的终结?

随着晶体管的缩小，并不是所有的器件参数都以相同的速度扩展——这就存在一个潜在的巨大问题。

近年来，制造商已经能够比工作电压更快地降低等效氧化层厚度(EOT)。因此，在沟道和栅极介质中存在的电场一直在增加。此外，减少EOT部分是通过减少SiO的厚度来实现的₂SiO的一部分₂/高k介电层，包括栅极介电。随着界面氧化物变薄，即使在恒定磁场下，进入高k氧化物体的隧穿也会增加。增加功率密度也意味着更高的工作温度，进一步增加了器件的应力。

随时间变化的介电击穿、热载流子注入和偏置温度不稳定性(BTI)都是场相关的，因此这三者都变得越来越令人担忧。三者中，BTI随电场的增加最为明显。BTI是阈值电压随施加应力的变化。当位移超过某个指定值时，通常为30毫伏，则认为设备已经失效。对于pfet，阈值电压对应于一个负栅偏置，因此负偏置温度不稳定性(NBTI)是一个比正BTI更严重的问题。(nfet的情况正好相反。)

根据IBM詹姆斯·斯塔西斯(James Stathis)工作了在2014年IEEE电子器件会议(IEDM)上，2013年ITRS路线图预计电压降低足以维持fet的扩展。pFETs中BTI的场依赖性更强。Stathis说，NBTI最终可能会限制硅基pet器件的尺寸，这需要引入SiGe等替代品。

NBTI是做什么的?
数年来，业界一直在讨论NBTI背后的机制，直到最近才达成共识。但从经验来看，结果相当严峻。随着器件的收缩，电压的分布会发生变化( )在压力下已经变宽。大型设备往往具有“平均”行为，并且可以被视为相同的。然而，在较小的设备中，由于NBTI导致的故障时间差异很大:一些设备故障非常快，另一些设备在测试的最长时间内保持其性能。相反，当压力被消除时，一些设备恢复得非常快，在几秒内，而另一些设备在测试的最长时间间隔内无法恢复。虽然故障和恢复都依赖于偏差，但这两种现象的时间常数是不一样的:有些设备故障很快，恢复很慢，反之亦然。

NBTI损伤的快速部分恢复使对这一现象的研究和在电路设计中对其进行补偿的努力复杂化。长期以来，研究受到施加应力和测量的困难的阻碍 同时进行。不同的实验室报告了不同的NBTI行为，这取决于(通常未知的)压力和测量之间的时间间隔。对于设计人员来说，NBTI恢复意味着可靠性是占空比和应力的函数。在某些测试中，较短的占空比(对应于较长的应力恢复间隔)可使寿命延长10倍甚至100倍。这种占空比依赖性，再加上故障时间的极端可变性，给设计师带来了一项几乎不可能完成的任务:当单个设备的特性不可预测地变化时，试图实现可靠、一致的性能。

NBTI是如何运作的?
许多解释NBTI行为的机制已经被考虑和抛弃。一个突出的模型是反应扩散理论，认为陷阱状态在Si/SiO₂界面是通过与氢的反应产生的，从介电体扩散到界面。在该模型中，失效时间和恢复时间的差异归因于界面与氢源之间的扩散时间。然而，随着设备的缩小，它们的行为与这一观点越来越不一致。现代电介质的厚度不够，也没有足够的氢来支持由观察到的NBTI时间依赖性所暗示的扩散距离范围。此外，故障时间和恢复时间之间的差异与基于扩散的故障/恢复模型不一致。

理解标度器件中的NBTI需要在测量器件性能的同时测量应力，监测发生的故障和恢复。英飞凌的研究人员使用了一种技术称为时间依赖性缺陷光谱(TDDS)来完成这项工作。在TDDS中，对栅极施加一个应力脉冲，然后连续测量阈值电压，通常持续1000秒。应力脉冲的范围从200纳秒到100秒，每个脉冲重复多达256次，以评估电荷捕获和发射统计数据。像英飞凌研究中使用的那些生产质量的缩放器件通常只有大约二十多个界面陷阱，因此通过单个缺陷来监测电荷捕获和解阱是可行的。

NBTI和随机电报噪声
在无偏置器件中，一种被称为随机电报噪声(RTN)的现象发生，因为自由电荷在热激励的影响下穿过材料，被存在的任何缺陷随机捕获或释放。外加偏压使能量增加到这个平衡态，激发载流子并使费米能级相对于现有缺陷的能级发生变化。增加电场可以使载流子接触到更多的缺陷位点，从而提高捕获率。每个捕获事件都将Vth偏移一定数量，这取决于缺陷在带隙中的位置。一旦施加的应力被消除，解阱在能量上就变得更加有利。电场越小，载流子发射率越高。每个发射事件恢复了标称Vth的一部分，这同样取决于带隙中缺陷的位置。

根据他们的研究结果，英飞凌团队将RTN和NBTI描述为同一物理机制的两个方面。RTN代表平衡态的电荷俘获和脱阱，NBTI代表相同的缺陷在应力作用下，试图建立新的平衡态。达到平衡需要有限的时间，这反映在与NBTI应力相关的不同失效和恢复时间上。以后的工作同一小组详细分析了导致BTI的缺陷，得出的结论是，相同的潜在机制也导致了nfet中的PBTI。

由于掺杂剂和缺陷都是随机分布的，可能发生陷阱的应力水平分布是相当广泛的。Kaczer和他的同事观察到的这些缺陷会在短至几分之一秒的脉冲后单独导致ΔVth超过30毫伏。恢复分布同样广泛，但是缺陷捕获时间和发射时间并不一定相关。该小组提出了一个渗流模型来描述的分布 转变。在阈值电压下，在掺杂点之间形成连续的渗透路径，允许电流在源极和漏极之间流动。缺陷阻碍了这一路径，有效地增加了载体必须克服的额外阻力。

NBTI曲线建模
器件整体的NBTI曲线由三种缺陷定义:发射时间远大于捕获时间的缺陷( >> )，而有 >> ，以及两个时间常数相似的。如果单个有缺陷，可视为电阻器有缺陷R = / 那么晶体管的性能取决于它内部所有缺陷电阻的总和。因此，在极端行为- 比…大得多或小得多 -定义NBTI曲线的形状。平均值的测量 的方差 利用分布可以提取缺陷的平均数量和平均值 对于给定的工艺技术，这可归因于单个捕获事件。

虽然详细的故障统计数据肯定会帮助设计师，但ΔVth分布的广度仍然意味着一些设备将在相对较短的时间和较低的累积应力后失效。更糟糕的是，仅仅减少缺陷的数量并不能消除这些早期的失败。这并不是说缺陷不重要。营销总监约翰·博兰说应用材料前端产品组解释说，在实践中NBTI非常依赖于界面质量。各种等离子体和热处理被用来致密氧化物和保持严密的界面控制。减少缺陷总数可以增加最大寿命并使平均值最小化 转变。这并不能消除早期失败的问题。无论缺陷的数量有多小，它们仍然会按照泊松统计量分布。因此，捕获和排放行为也将是随机的。

令人震惊的是:先进的设备让生活更容易
不过，也有一些好消息即将到来。如上所述，通道中掺杂剂的随机分布导致了广泛的ΔVth分布。减少通道掺杂-或完全消除它，如完全耗尽的设备所做的-有助于缩小这种差异。的确,英特尔报告几乎可以忽略不计的fet BTI在其22nm三栅极器件。pFETs的BTI如预期的那样显示出翅片方向依赖，但不受设备本体偏向的影响。

还有好消息来自发现，由IMEC在2014年IEDM上，SiGe通道已经因为其更好的移动性而被考虑，也提供了显著的NBTI改进。更具体地说，在SiGe通道顶部的薄硅钝化层似乎可以将通道孔的能级与介电缺陷的能级解耦。增加锗分数会增加这种偏置。

当然，坏消息是，总有其他事情要担心。虽然三栅结构可以降低BTI，但热载流子的退化变得更加重要，特别是对于窄翅片。SiGe提供的任何BTI优势都可能被介电质量问题至少部分抵消。但NBTI现在是一个问题，而其他问题还有待解决。至少就目前而言，在规模上的可靠性限制似乎是可控的。