Нестабильность температуры при отрицательном смещении

Температурная нестабильность отрицательного смещения ( NBTI ) является ключевой проблемой надежности МОП-транзисторов , типа старения транзисторов . NBTI проявляется как увеличение порогового напряжения и, как следствие, уменьшение тока стока и крутизны полевого МОП-транзистора. Деградацию часто аппроксимируют степенной зависимостью от времени. Это вызывает непосредственную озабоченность в МОП- устройствах с p-каналом (pMOS), поскольку они почти всегда работают с отрицательным напряжением затвор-исток; однако тот же самый механизм действует и на nMOS-транзисторы, когда они смещены в режиме накопления, т. е. при отрицательном смещении, приложенном к затвору.

Точнее, со временем положительные заряды захватываются на границе оксид-полупроводник под затвором МОП-транзистора. Эти положительные заряды частично компенсируют отрицательное напряжение на затворе, не способствуя проводимости через канал, как электронные дырки предполагают в полупроводнике. Когда напряжение на затворе снимается, захваченные заряды рассеиваются в течение времени от миллисекунд до часов. Проблема стала более острой по мере того, как транзисторы уменьшились в размерах, поскольку усреднение эффекта по большой площади затвора стало меньше. Таким образом, разные транзисторы испытывают разное количество NBTI, что противоречит стандартным методам проектирования схем, допускающим производственные различия, которые зависят от точного согласования соседних транзисторов.

NBTI стал важным для портативной электроники, поскольку он плохо взаимодействует с двумя распространенными методами энергосбережения: пониженным рабочим напряжением и стробированием тактового сигнала . При более низких рабочих напряжениях изменение порогового напряжения, вызванное NBTI, составляет большую часть логического напряжения и нарушает работу. Когда часы отключены, транзисторы перестают переключаться, и эффекты NBTI накапливаются гораздо быстрее. Когда часы снова включаются, пороговые значения транзисторов изменяются, и схема может не работать. Некоторые конструкции с низким энергопотреблением переключаются на низкочастотный тактовый сигнал, а не полностью останавливаются, чтобы смягчить эффекты NBTI.

Физика

Детали механизмов NBTI обсуждаются, но считается, что этому способствуют два эффекта: захват положительно заряженных дырок и генерация интерфейсных состояний.

ранее существовавшие ловушки, расположенные в объеме диэлектрика, заполнены дырками, выходящими из канала pMOS. Эти ловушки можно опустошить, когда напряжение напряжения будет снято, так что деградация Vth может быть восстановлена с течением времени.
генерируются ловушки интерфейса, и эти состояния интерфейса становятся положительно заряженными, когда устройство pMOS смещено во «включенное» состояние, то есть с отрицательным напряжением на затворе. Некоторые состояния интерфейса могут стать деактивированными после снятия напряжения, так что деградация V-го состояния может быть восстановлена с течением времени.

Существование двух сосуществующих механизмов привело к научным спорам по поводу относительной важности каждого компонента, а также механизма генерации и восстановления состояний интерфейса.

В субмикрометровых устройствах азот включен в оксид кремния затвора , чтобы уменьшить плотность тока утечки затвора и предотвратить проникновение бора . Известно, что включение азота усиливает НБТИ. Для новых технологий (45 нм и более короткие номинальные длины каналов) с высоким κ в качестве альтернативы используются стопки металлических затворов для улучшения плотности тока затвора для заданной эквивалентной толщины оксида (EOT). Даже с введением в стопку затворов новых материалов, таких как оксид гафния , NBTI сохраняется и часто усугубляется дополнительным захватом заряда в слое с высоким κ.

С появлением металлических затворов с высоким κ стал более важным новый механизм деградации, называемый PBTI (для температурной нестабильности положительного смещения), который влияет на nMOS-транзистор при положительном смещении. В этом случае состояния интерфейса не генерируются, и 100 % ухудшения Vth может быть восстановлено.

См. также

Ссылки

Дж. Х. Статис, С. Махапатра и Т. Грассер, « Спорные вопросы температурной нестабильности отрицательного смещения », Надежность микроэлектроники, том 81, стр. 244–251, февраль 2018 г. два : 10.1016/j.microrel.2017.12.035
Т. Грассер и др., « Сдвиг парадигмы в понимании температурной нестабильности смещения: от реакции-диффузии к переключению оксидных ловушек », IEEE Transactions on Electron Devices 58 (11), стр. 3652–3666, ноябрь 2011 г. doi : 10.1109/TED.2011.2164543 Бибкод : 2011ITED...58.3652G
Д.К. Шредер, « Температурная нестабильность отрицательного смещения: что мы понимаем? », Надежность микроэлектроники, вып. 47, нет. 6, стр. 841–852, июнь 2007 г. два : 10.1016/j.microrel.2006.10.006
Шредер, Дитер К. (август 2005 г.). «Температурная нестабильность с отрицательным смещением (NBTI): проблемы физики, материалов, процессов и схем» (PDF) .
Дж. Х. Статис и С. Зафар , « Температурная нестабильность отрицательного смещения в МОП-устройствах: обзор », Надежность микроэлектроники, том 46, вып. 2, стр. 278–286, февраль 2006 г. два : 10.1016/j.microrel.2005.08.001
М. Алам и С. Махапатра, « Комплексная модель деградации PMOS NBTI », Microelectronics Reliability, vol. 45, нет. 1, стр. 71–81, январь 2005 г. doi : 10.1016/j.microrel.2004.03.019