La dégradation BTI

Le mécanisme BTI est considéré comme la dégradation prépondérante parmi les phénomènes de dysfonctionnement relatifs aux transistors MOS. L'estimation de sa contribution à la dégradation des performances des circuits est donc essentielle.

Ce mécanisme a été mis en évidence pour la première fois dans les années 60. Depuis, les études sur ce sujet se sont principalement focalisées sur deux thématiques d’investigation :

 Comment mesurer l'impact de ce phénomène sur la durée de vie des composants ?

 Comment l’expliquer d’un point de vue physique ?

Le comportement électrique du transistor dépend à la fois de la qualité de l’interface SiO2/Si et

du nombre de défauts présents dans l’oxyde. En effet, les interactions des porteurs du canal avec les défauts d’interface réduisent les performances électriques du transistor.

Principalement, deux types de défauts sont identifiés dans les transistors :

 Les défauts d’interface entre le silicium Si et l’oxyde de grille SiO2 qui proviennent du

désaccord de maille.

 Les défauts dans l’oxyde de grille au voisinage de l’interface.

En général, le désaccord de maille va générer des atomes de silicium, électriquement actifs,

avec des liaisons pendantes, appelées, centres Pb de type amphotère. Ils peuvent capturer à la fois

des trous ou des électrons. Deux types de défauts à l’interface sont, alors, identifiés :

 Les centres Pb₀ (Figure II-11 (a)).

 Les centres Pb₁ (Figure II-11 (b)).

Figure II-11 : Les deux types de défauts d’interface : Les centres Pb0 et Pb1

Tandis que les défauts dans l’oxyde de grille au voisinage de l’interface sont principalement définis par les défauts de types : oxygènes non liants (Figure II-12 (a)), silicium bivalents (Figure II-12 (b)), et centres E’ (Figure II-12 (c)), etc.

Figure II-12 : Types de défauts dans l’oxyde de grille

Ces défauts peuvent être passivés électriquement par un recuit, à haute température, d’environ 400 °C, sous atmosphère hydrogénée. La présence d’hydrogène favorise lors du recuit la

passivation des centres Pb formant ainsi une liaison électriquement neutre.

Figure II-13 : Passivation des liaisons pendantes avec des atomes d'hydrogène

Les liaisons Si-H réalisées lors de la passivation, s’ils permettent de réduire le nombre de défauts d’interface présents à l’état initial, sont aussi une des sources de la dégradation BTI. Sous l’effet de la température et du champ électrique transverse grille-canal, les liaisons Si-H peuvent se rompre et recréer les défauts d’interface. Les liaisons Si pendantes, résultantes de cette réaction, créent ces états d'interface. Tandis que les particules d'hydrogène libérées diffusent dans l’oxyde vers la grille (Figure II-14).

Figure II-14: Représentation schématique du modèle Réaction-diffusion [24]

Le modèle réaction-diffusion proposé pour la première fois par Jeppson et Svensson en 1977 [25] a été, ensuite, adopté pour décrire le phénomène de dégradation BTI [26]-[27], puis mis à

jour par Islam et al. [28] afin d’inclure un phénomène, jusque-là non modélisé : l'effet de saturation BTI pour des temps de stress longs.

II.2.2.1.Phénomènes physiques

Les mécanismes de dégradations NBTI [29] et PBTI [30] sont définis par le changement des paramètres électriques du transistor soumis à une tension respectivement négative et positive appliquée à la grille, à température élevée (à partir de 80 °C). Ces deux mécanismes de dégradation sont similaires par le fait qu’ils engendrent des états d’interface dans l’oxyde de grille (Figure II-15).

Figure II-15: Configuration électrique d'une contrainte type NBTI

Cette dégradation augmente avec la température et le champ électrique transverse présent dans l’oxyde de grille. Ces mécanismes sont étudiés le plus souvent sur les PMOS car la dégradation y est beaucoup plus importante que sur le NMOS [31]. De plus, la situation où la configuration NBTI ou PBTI puisse se produire dans les NMOS contenus dans les circuits est quasi-rare. De ce fait, le risque de défaillance de ces derniers est négligé.

Les différentes origines de la dégradation BTI sont dues (Figure II-16) :

 A la rupture des liaisons Si-H et la formation des liaisons pendantes responsables des

états d’interfaces.

 A la génération de charges fixes dans l’oxyde due à la diffusion de l’hydrogène.

Figure II-16: Illustration de la dégradation NBTI : la génération d’états d’interface, la génération de charges fixes, et le piégeage de trous [33]

Les dégradations NBTI et PBTI sont deux phénomènes partiellement réversibles. Les travaux d’Ershov [32] ont montré qu’en l’absence de contrainte électrique la dégradation s’atténue.

Figure II-17: Illustration de la relaxation et de la dégradation apparente [34]

Ce phénomène d’auto-guérison partiel ou encore appelé relaxation BTI (Figure II-17) est considéré comme une contrainte de premier ordre dans la caractérisation de la dégradation. Il faut prendre en considération qu’une caractérisation dans des conditions fiables et reproductibles assure le développement, la validation et la précision du modèle de dégradation BTI.

II.2.2.1.1.Techniques de la caractérisation de la dégradation BTI

La technique traditionnelle de mesure de la dégradation BTI n’impose pas de limite de temps de caractérisation. Cette méthodologie, si elle permet de quantifier la dérive d’un certain nombre de paramètres électriques, elle sous-estime, quelques peu, la dégradation du fait des phénomènes d’auto-guérison pendant la mesure.

Une seconde technique de mesure dite à la volée « on-the-fly » a été proposée par M. Denais

[33] comme solution pour minimiser les effets de relaxation, lors de la caractérisation. Cette technique consiste à caractériser la dégradation avec une tension de grille constante V_{g_test}=V_{g_stress}. Cette configuration reste extrêmement contraignante car la tension appliquée sur

la grille Vg_stress pendant le stress est assez élevée, au voisinage de |Vdd|. Néanmoins, en

augmentant légèrement le potentiel du drain Vd (Figure II-18), il est possible de faire circuler un

courant à travers le canal. Cette méthode permet de mesurer la variation du courant linéaire en fonction du temps de stress.

Figure II-18: Mesure du courant de drain pendant une contrainte NBTI : technique de M. Denais

Pour le développement de son modèle de dégradation BTI, NXP semi-conducteurs propose

une autre technique de mesure, appelé Measure Stress Measure (MSM) method. Elle permet de

mesurer seulement la variation de la tension de seuil V_Th, après stress, durant un temps de

caractérisation très court. Cette technique consiste à caractériser la dégradation en appliquant une

tension de grille Vg_test=VTh(0) à l’instant initial et une tension de drain Vd_test correspondant au

régime linéaire. Avant d’appliquer le stress, il est nécessaire d’extraire la valeur de Vg_test qui est

définit dans la norme JEDEC [35] par l’expression ci-dessous :

II.11 _

(0) (@ ) (@0.1 )

g test Th g VT g

W

V V V I V µ

L

  

Figure II-19 : Mesure du courant de drain pendant une contrainte NBTI : technique MSM

Puisque la pente sous le seuil (SS) de la caractéristique (I-V) est considérée constante avant et après stress BTI (Figure II-20), il suffit de mesurer le décalage enregistré pour déterminer la

variation de la tension de seuil ∆V_Th.

Ainsi, à partir des mesures du courant Id à la volée avant et après stress, nous pouvons calculer

la variation ∆VTh à partir de la relation II.12 suivante :

II.12

log

¹⁰

(0) log

¹⁰

( )

( )

d d stress Th

I I t

V

pente SS



 

Figure II-20: Détermination de la variation de la tension de seuil d’un PMOS après un stress de type BTI à partir de la pente sous-seuil

II.2.2.2.Modèle de dégradation BTI implémenté dans le simulateur utilisé

Dans cette section nous présentons le modèle de dégradation BTI [36] [37] implémenté dans l’outil de simulation de fiabilité des transistors PMOS. Ce modèle de dégradation présente la

durée de vie en fonction de la tension Vgs de stress et la température de stress T.

II.13

 

1 _

| |

_m Ea n Th _{n KT} g stress lifetime

V

V

A e

  ^_ ^{ }_

^ Où :

-

τ

lifetime est définit comme la durée de vie selon le critère de dégradation.

- |∆VTh | représente la valeur absolue de la variation de la tension de seuil (V).

- |Vg_stress)| représente la valeur absolue de la tension de stress sur la grille (V).

- e^Ea/KT est le facteur d’Arrhenius.

- Ea est l’énergie d’activation effective (eV).

- A, m, et n sont des constantes qui dépendent du procédé dont les valeurs sont issues des

essais de vieillissement accéléré en DC.

L’accélération de la dégradation se produit souvent par l’augmentation du potentiel de grille

Vg au-delà des potentiels électriques autorisés dans les datasheet et l’augmentation de la

température de stress T à plus de 85°C. La durée de vie

τ

lifetime est déterminée à partir de la

variation de la tension de seuil estimée à 2.2 % de la tension d’alimentation Vdd.

La dégradation de type BTI est engendrée soit par un stress statique (DC), soit par un stress dynamique (AC). La dégradation sous stress AC est toujours inférieure à celle engendrée par le stress DC [38] [39] (Figure II-26). Dans le cas d’un stress AC avec un rapport cyclique de 50%, l’auto guérison a lieu pendant les demi-périodes de non-stress. Cette situation contribue à réduire la dégradation d'environ un facteur deux par rapport à une contrainte de type DC.

La prise en compte du phénomène BTI dans les études de fiabilité des transistors est relativement récente. Elle est référencée dans la norme JEDEC depuis l’an 2000. Le simulateur

prend en compte le modèle de dégradation BTI corrélée à la variation de la tension de seuil VTh

en fonction du temps de stress.

Cette dégradation de V_Th est proportionnelle à la durée de stress tⁿ _stress(Figure II-21):

II.14

 

^ ^{ }   _{ }   ( ) _ | | | | a E m n _KT Th g stress _stress V A V

t

e

Ce modèle de dégradation décrit par l’équation II.14 est issu des essais de vieillissement accéléré en mode statique DC. Cependant, il a été prouvé par E. Maricau et al. [43] que ce modèle décrivait aussi les stress en mode dynamiques.

Figure II-21: Variation de la tension de seuil VTh après une contrainte de type NBTI [28]

D’après la Figure II-22, lors d’une contrainte AC appliquée sur la grille, une partie des dommages causés par le BTI se rétablit à des tensions de contrainte inférieures.

Figure II-22: (a) Tension de stress triangulaire et le setup de stress, (b) Variation de la tension de seuil après un stress en mode AC : validation des résultats de simulations par les mesures [44]

II.2.2.3.Dégradations des paramètres électriques due au mécanisme BTI

Dans la plupart des travaux de recherche sur le mécanisme BTI [32][34][38], les études se sont

intéressées, principalement, à l’évaluation de la variation de la tension de seuil VTh. Cependant,

(a)

dans la littérature, certaines études [41] se sont focalisées aussi sur la dégradation du courant de drain provoquée par les mécanismes BTI. Les travaux de thèse de M. Denais et al. [42] ont contribué à la conclusion suivante: la contrainte de type NBTI engendre, généralement, une dégradation plus importante que celle produite par PBTI. Dans les NMOS, la dégradation produite par ces deux mécanismes est, pratiquement, négligeable ce qui explique que tous les travaux de recherche se sont surtout focalisés sur la dégradation des transistors PMOS (Figure II-23).

Figure II-23: L'effet du mécanisme BTI sur MOS à canal p et n avec tension de stress Vg positive et négative [42]

La Figure II-24 met en évidence que les paramètres que sont la température et la tension de stress sont des facteurs prépondérants dans la dégradation BTI.

Figure II-24: Dérive de la tension de seuil après un stress NBTI: (a) accélération de la dégradation par Vg, (b) accélération de la dégradation par la température [32]

S. Hatta et al. [41] ont montré, Figure II-25 et

Tableau II-1 , que la dégradation du courant de drain et que celle de la tension de seuil devenaient plus importantes en fonction de l’épaisseur de l’oxyde de grille.

Figure II-25: Effet de l’épaisseur de l’oxyde tox sur la dégradation du courant de drain Id sous stress NBTI en statique (T stress = 400K) [41]

Tableau II-1: Dégradations de VTh et Id pour différentes épaisseurs d’oxyde de grille (T stress = 400K)

Tension de drain (mV) Epaisseur d’oxyde de grille (nm) ∆Id (A/µm) ∆VTh (mV)

50

1.8 3.37 e-6 81

2 3.49 e-6 103

3 4.51 e-6 142

La Figure II-26 met en évidence que la dégradation engendrée par des stress NBTI en AC est moins importante que celle produite par ce même stress en DC.

Figure II-26: Comparaison entre la variation de VTh d’un PMOSsous stress NBTI en mode statique DC (SNBTI) et dynamique AC (DNBTI). La fréquence du signal AC f=0.5 HZ avec un

rapport cyclique de 50% [38]

De même, à partir de la Figure II-27, nous pouvons conclure que la dégradation sous stress AC dépend très peu de la fréquence.

Figure II-27: Comparaison entre la dégradation du courant de drain Id d’un PMOS sous contrainte NBTI en mode statique (DC) et dynamique (AC) pour différentes fréquences [39]

Il est, généralement, reconnu que les circuits RF sont quasiment pas affectés par la dégradation BTI contrairement aux effets HCI [40]. De ce fait, peu de travaux se sont intéressés à la dégradation BTI sous stress RF.

Le stress RF consiste à appliquer un signal RF à une fréquence donnée en série avec la polarisation DC sur la grille. G. T. Sasse [40] montre que la dégradation NBTI avec un signal RF

sur la grille d’un PMOS est indépendante de la fréquence (Figure II-28). Ceci est bien en accord avec les travaux élaborés par Islam et al. [28] sur la dégradation BTI sous stress AC. Ce constat est une contribution très utile pour déterminer la nature exacte des mécanismes physiques qui contribuent à la dégradation NBTI sous stress RF.

Figure II-28 : Dégradation de VTh après une contrainte NBTI sous stress RF (Vg_DC= -1,5 V superposée à un signal de tension sinusoïdale avec Vpp de 3 V, à diverses fréquences allant de 10

MHz à 3.2 GHz, à 125 °C) [40]

Dans le document Contribution à l’analyse des effets de vieillissement de composants actifs et de circuits intégrés sous contraintes DC et RF en vue d’une approche prédictive (Page 57-68)