음-바이아스 온도 불안정

Negative-bias temperature instability

NBTI는 트랜지스터 노화 유형인 MOSFET에서 핵심 신뢰성 문제다.NBTI는 임계 전압의 증가와 그에 따른 MOSFET의 배수 전류 및 전도의 감소로 나타난다.권력법률의 시간 의존에 의해 종종 그 저하는 대략적으로 계산된다.p-채널 MOS 장치(p-channel MOS)는 거의 항상 음의 게이트-투-소스 전압으로 작동하기 때문에 즉각적인 관심사지만, 축적 체계에 편향되었을 때, 즉 게이트에 음의 치우침이 적용되는 것과 동일한 메커니즘이 nMOS 트랜지스터에도 영향을 미친다.

구체적으로는 시간이 지남에 따라 양극 전하가 MOSFET 게이트 아래의 산화-반도체 경계에 갇히게 된다.이 양전하들은 반도체의 전자 구멍처럼 채널을 통한 전도에 기여하지 않고 음의 관문 전압을 부분적으로 취소한다.게이트 전압이 제거되면 갇힌 전하가 밀리초에서 몇 시간 사이의 시간 척도에 걸쳐 소멸한다.넓은 관문 면적에 대한 효과의 평균이 적어 트랜지스터가 줄어들면서 문제는 더욱 첨예해졌다.따라서, 서로 다른 트랜지스터는 인접한 트랜지스터의 근접 매칭에 따라 달라지는 제조 가변성을 견딜 수 있는 표준 회로 설계 기법을 물리치고 다른 양의 NBTI를 경험한다.

NBTI는 두 가지 일반적인 절전 기술인 작동 전압 감소와 클록 게이트와 좋지 않은 상호작용을 하기 때문에 휴대용 전자제품에 있어 중요한 역할을 하게 되었다.작동 전압이 낮을 경우 NBTI가 유도하는 임계값 전압 변화는 논리 전압의 더 큰 부분이며 작동을 방해한다.시계가 꺼지면 트랜지스터가 개폐를 멈추고 NBTI 효과가 훨씬 더 빠르게 축적된다.시계가 다시 활성화되면 트랜지스터 임계값이 변경되어 회로가 작동하지 않을 수 있다.일부 저전력 설계는 NBTI 효과를 완화하기 위해 완전히 정지하지 않고 저주파 클럭으로 전환한다.

물리학

NBTI의 메커니즘에 대한 세부 사항은 논의되어 왔지만, 두 가지 효과는 양전하 구멍의 트랩과 인터페이스 상태의 생성에 기여할 것으로 생각된다.

  • 유전체 덩어리에 위치한 기존 트랩은 pMOS 채널에서 나오는 구멍으로 채워진다.이러한 트랩은 응력 전압이 제거되면 비워질 수 있으므로 Vth 저하가 시간이 지남에 따라 복구될 수 있다.
  • 인터페이스 트랩이 생성되며, 이러한 인터페이스 상태는 pMOS 장치가 "on" 상태, 즉 음의 게이트 전압으로 편향될 때 양전하가 된다.일부 인터페이스 상태는 응력이 제거되면 비활성화될 수 있으므로 Vth 저하가 시간이 지남에 따라 복구될 수 있다.

공존하는 두 메커니즘의 존재는 각 구성 요소의 상대적 중요성과 인터페이스 상태의 생성과 복구의 메커니즘에 대한 과학적 논쟁을 초래했다.

서브마이크로미터 장치에서는 질소가 실리콘 게이트 산화물에 통합되어 게이트 누출 전류 밀도를 낮추고 붕소 침투가 방지된다.질소를 첨가하면 NBTI가 강화되는 것으로 알려져 있다.신기술(45nm 및 공칭 채널 길이 단축)의 경우, 주어진 등가산화물 두께(EOT)에 대한 게이트 전류 밀도를 개선하기 위한 대안으로 고밀도 금속 게이트 스택이 사용된다.게이트 스택에 산화물 하프늄과 같은 신소재가 도입되더라도 NBTI는 남아 있고 고밀도 층에서 추가 충전 트랩으로 인해 악화되는 경우가 많다.

높은 κ 금속 게이트의 도입으로 새로운 열화 메커니즘이 더욱 중요해졌으며, 이는 포지티브 편향 온도 불안정성에 대해 PBTI(긍정 편향 온도 불안정성)라고 불리며, 이는 포지티브 편향 시 nMOS 트랜지스터에 영향을 미친다.이 경우 인터페이스 상태가 생성되지 않으며 Vth 성능 저하의 100%를 복구할 수 있다.

참고 항목

참조

  • J.H. Stathis, S. Mahapatra, T. Grasser, "부편향 온도 불안정성의 논쟁적 문제", 마이크로전자 신뢰성, vol. 81, 페이지 244-251, 2018년 2월. doi:10.1016/j.microrel.2017.12.035
  • T. 그래서 외, "편향 온도 불안정성을 이해하는 패러다임의 변화: 반작용-확산물 트랩 전환"에서 "산화물 트랩 전환"까지, 전자장치 58(11), 페이지 3652-36666, 2011년 11월. doi:10.1109/TED.2164543 비스코드:2011ITED...58.3652G
  • D.K. 슈뢰더 "부정편향 온도 불안정: 우리가 무엇을 이해하고 있는가?", Microelectronics 신뢰성, 제47권, 제6권, 페이지 841–852, 2007년 6월. doi:10.1016/j.microrel.2006.10.006
  • Schroder, Dieter K. (August 2005). "Negative Bias Temperature Instability (NBTI): Physics, Materials, Process, and Circuit Issues" (PDF).
  • JH Stathis 및 S Zafar "MOS 장치의 음의 바이어스 온도 불안정: 검토", 마이크로 전자 신뢰성, 제46권, 제2권, 페이지 278-286, 2006년 2월. doi:10.1016/j.microrel.2005.08.001
  • M. 알람과 S.Mahapatra, "PMOS NBTI 저하의 종합 모델", Microelectronics 신뢰성, 45권, 1, 페이지 71–81, 2005년 1월. doi:10.1016/j.microrel.2004.03.019