Nestabilita teplotního zkreslení - Negative-bias temperature instability - Wikipedia

Nestabilita teplotního zkreslení (NBTI) je klíčovým problémem spolehlivosti v systému Windows MOSFETy, typ stárnutí tranzistoru. NBTI se projevuje zvýšením hraniční napětí a následný pokles odtokového proudu a transkonduktance MOSFET. Degradace je často aproximována a mocenský zákon závislost na čase. Okamžitě se to týká P-kanálu MOS zařízení (pMOS), protože téměř vždy pracují se záporným napětím od brány ke zdroji; stejný mechanismus však také ovlivňuje nMOS tranzistory, když jsou ovlivněny v akumulačním režimu, tj. s negativním zkreslením aplikovaným na bránu.

Přesněji řečeno, v průběhu času se kladné náboje zachytí na hranici oxid-polovodič pod bránou MOSFET. Tyto kladné náboje částečně ruší záporné napětí hradla bez přispívá k vedení skrz kanál jako elektronové díry v polovodičích. Když je napětí brány odstraněno, zachycené náboje se rozptýlí v časovém měřítku milisekund až hodin. Problém se stal akutnějším, jak se zmenšily tranzistory, protože u velké oblasti brány dochází k menšímu průměrování účinku. Různé tranzistory tedy zažívají různá množství NBTI, čímž porážejí standardní techniky návrhu obvodů pro tolerování variability výroby, které závisí na blízkém sladění sousedních tranzistorů.

NBTI se stala významnou pro přenosnou elektroniku, protože špatně interaguje se dvěma běžnými technikami úspory energie: sníženým provozním napětím a hradlo hodin. Při nižších provozních napětích je změna prahového napětí indukovaného NBTI větší částí logického napětí a narušuje provoz. Když jsou hodiny odjištěny, tranzistory se přestanou přepínat a NBTI efekty se hromadí mnohem rychleji. Když se hodiny znovu aktivují, prahové hodnoty tranzistoru se změnily a obvod nemusí fungovat. Některé nízkoenergetické konstrukce přepínají spíše na nízkofrekvenční hodiny, než aby se úplně zastavily, aby zmírnily účinky NBTI.

Fyzika

Podrobnosti o mechanismech NBTI byly diskutovány, ale předpokládá se, že přispívají dva efekty: zachycení kladně nabitého díry a generování stavů rozhraní.

• již existující pasti umístěné v převážné části dielektrika jsou vyplněny otvory pocházejícími z kanálu pMOS. Tyto pasti mohou být vyprázdněny, když je odstraněno napěťové napětí, takže V-degradaci lze v průběhu času obnovit.
• Generují se pasti rozhraní a tyto stavy rozhraní se kladně nabijí, když je zařízení pMOS předpnuto ve stavu „zapnuto“, tj. se záporným hradlovým napětím. Některé stavy rozhraní se mohou deaktivovat, když je napětí odstraněno, takže lze degradaci Vth v průběhu času obnovit.

Existence dvou koexistujících mechanismů vyústila ve vědecké spory o relativní důležitost každé komponenty a o mechanismus generování a obnovy stavů rozhraní.

V mikrometrických zařízeních dusík je zabudován do křemíku oxid brány snížit hustotu svodového proudu brány a zabránit bór penetrace. Je známo, že začlenění dusíku zvyšuje NBTI. U nových technologií (45 nm a kratší nominální délky kanálu) high-κ jako alternativa ke zlepšení hustoty proudu brány pro danou ekvivalentní tloušťku oxidu (EOT) se používají kovové hradlové komíny. I se zavedením nových materiálů jako hafnium oxid v hradlovém zásobníku, NBTI zůstává a často se zhoršuje dodatečným zachycením náboje ve vrstvě s vysokým κ.

Se zavedením kovových bran s vysokým κ se stal důležitější nový degradační mechanismus, označovaný jako PBTI (pro nestability teploty s pozitivním zkreslením), který ovlivňuje nMOS tranzistor, když je pozitivně ovlivněn. V tomto případě nejsou generovány žádné stavy rozhraní a může být obnoveno 100% degradace Vth.

Viz také

• Vstřikování horkého nosiče
• Elektromigrace

Reference

• J.H. Stathis, S. Mahapatra a T. Grasser, “Kontroverzní problémy v nestabilitě teplotního zkreslení ”, Microelectronics Reliability, sv. 81, s. 244-251, únor 2018. doi:10.1016 / j.microrel.2017.12.035
• T. Grasser a kol., “Posun paradigmatu v chápání nestability teplotního zkreslení: Od reakce – difúze k přepínání pastí oxidu“, IEEE Transactions on Electron Devices 58 (11), pp. 3652-3666, listopad 2011. doi:10.1109 / TED.2011.2164543 Bibcode:2011ITED ... 58.3652G
• D.K. Schroder, “Nestabilita teplotního zkreslení: Co chápeme?”, Microelectronics Reliability, sv. 47, č. 6, s. 841–852, červen 2007. doi:10.1016 / j.microrel.2006.10.006
• Schroder, Dieter K. (srpen 2005). „Negativní zkreslení teplotní nestability (NBTI): problémy fyziky, materiálů, procesů a obvodů“ (PDF).
• JH Stathis a S Zafar, “Nestabilita teploty zkreslení v zařízeních MOS: Přehled”, Microelectronics Reliability, sv. 46, č. 2, str. 278-286, únor 2006. doi:10.1016 / j.microrel.2005.08.001
• M. Alam a S. Mahapatra, “Komplexní model degradace PMOS NBTI ”, Microelectronics Reliability, sv. 45, č. 1, s. 71–81, leden 2005. doi:10.1016 / j.microrel.2004.03.019