La inestabilidad de temperatura de polarización negativa ( NBTI ) es un problema clave de confiabilidad en los MOSFET , un tipo de envejecimiento del transistor . NBTI se manifiesta como un aumento en el voltaje umbral y la consiguiente disminución en la corriente de drenaje y la transconductancia de un MOSFET. La degradación a menudo se aproxima a una dependencia del tiempo de la ley de potencias . Es una preocupación inmediata en los dispositivos MOS de canal p (pMOS), ya que casi siempre operan con voltaje negativo de puerta a fuente; sin embargo, el mismo mecanismo también afecta a los transistores nMOS cuando están sesgados en el régimen de acumulación, es decir, con un sesgo negativo aplicado a la puerta.
Más específicamente, con el tiempo, las cargas positivas quedan atrapadas en el límite de óxido-semiconductor debajo de la puerta de un MOSFET. Estas cargas positivas cancelan parcialmente el voltaje de la puerta negativa sin contribuir a la conducción a través del canal, como se supone que lo hacen los agujeros de electrones en el semiconductor. Cuando se elimina el voltaje de la puerta, las cargas atrapadas se disipan en una escala de tiempo de milisegundos a horas. El problema se ha agudizado a medida que los transistores se han reducido, ya que hay menos promediado del efecto en un área de puerta grande. Por lo tanto, diferentes transistores experimentan diferentes cantidades de NBTI, derrotando las técnicas de diseño de circuitos estándar para tolerar la variabilidad de fabricación que depende de la estrecha correspondencia de los transistores adyacentes.
El NBTI se ha vuelto importante para la electrónica portátil porque interactúa mal con dos técnicas comunes de ahorro de energía: voltajes de operación reducidos y sincronización de reloj . Con voltajes de operación más bajos, el cambio de voltaje de umbral inducido por NBTI es una fracción mayor del voltaje lógico e interrumpe las operaciones. Cuando se apaga un reloj, los transistores dejan de cambiar y los efectos NBTI se acumulan mucho más rápidamente. Cuando se vuelve a habilitar el reloj, los umbrales de los transistores han cambiado y es posible que el circuito no funcione. Algunos diseños de baja potencia cambian a un reloj de baja frecuencia en lugar de detenerse por completo para mitigar los efectos NBTI.
Física
Se han debatido los detalles de los mecanismos de NBTI, pero se cree que contribuyen dos efectos: la captura de agujeros cargados positivamente y la generación de estados de interfaz.
- Las trampas preexistentes ubicadas en la mayor parte del dieléctrico se llenan con orificios que provienen del canal de pMOS. Esas trampas se pueden vaciar cuando se elimina el voltaje de tensión, de modo que la degradación Vth se puede recuperar con el tiempo.
- se generan trampas de interfaz, y estos estados de interfaz se cargan positivamente cuando el dispositivo pMOS está polarizado en el estado "encendido", es decir, con voltaje de puerta negativo. Algunos estados de la interfaz pueden desactivarse cuando se elimina la tensión, de modo que la degradación Vth se puede recuperar con el tiempo.
La existencia de dos mecanismos coexistentes ha dado lugar a controversias científicas sobre la importancia relativa de cada componente y sobre el mecanismo de generación y recuperación de estados de interfaz.
En los dispositivos submicrométricos, el nitrógeno se incorpora al óxido de la puerta de silicio para reducir la densidad de corriente de fuga de la puerta y evitar la penetración de boro . Se sabe que la incorporación de nitrógeno mejora el NBTI. Para las nuevas tecnologías (45 nm y longitudes de canal nominales más cortas), las pilas de puertas metálicas de alto κ se utilizan como una alternativa para mejorar la densidad de corriente de la puerta para un espesor de óxido equivalente (EOT) dado. Incluso con la introducción de nuevos materiales como el óxido de hafnio en la pila de puertas, el NBTI permanece y, a menudo, se ve agravado por la captura de carga adicional en la capa de alto κ.
Con la introducción de puertas metálicas de alto κ, un nuevo mecanismo de degradación se ha vuelto más importante, denominado PBTI (para inestabilidades de temperatura de polarización positiva), que afecta al transistor nMOS cuando está polarizado positivamente. En este caso, no se generan estados de interfaz y se puede recuperar el 100% de la V-ésima degradación.
Ver también
Referencias
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