La inestabilidad de la 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 mediante una dependencia del tiempo en forma de ley potencial . Es de preocupación inmediata en los dispositivos MOS de canal p (pMOS), ya que casi siempre funcionan con voltaje negativo de puerta a fuente; sin embargo, el mismo mecanismo también afecta a los transistores nMOS cuando están polarizados en el régimen de acumulación, es decir, con una polarización negativa aplicada a la puerta.
Más específicamente, con el tiempo, las cargas positivas quedan atrapadas en el límite del semiconductor de óxido debajo de la puerta de un MOSFET. Estas cargas positivas cancelan parcialmente el voltaje de puerta negativo sin contribuir a la conducción a través del canal como se supone que 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, lo que anula las técnicas de diseño de circuitos estándar para tolerar la variabilidad de fabricación que depende de la estrecha coincidencia de los transistores adyacentes.
NBTI se ha vuelto importante para la electrónica portátil porque interactúa mal con dos técnicas comunes de ahorro de energía: voltajes operativos reducidos y activación del reloj . Con voltajes de operación más bajos, el cambio de voltaje umbral inducido por NBTI es una fracción mayor del voltaje lógico e interrumpe las operaciones. Cuando se apaga un reloj, los transistores dejan de conmutar y los efectos NBTI se acumulan mucho más rápidamente. Cuando se vuelve a habilitar el reloj, los umbrales del transistor 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.
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.
La existencia de dos mecanismos coexistentes ha resultado en controversia científica sobre la importancia relativa de cada componente y sobre el mecanismo de generación y recuperación de estados de interfaz.
En los dispositivos submicrométricos, se incorpora nitrógeno 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 la NBTI. Para las nuevas tecnologías (45 nm y longitudes de canal nominales más cortas), se utilizan pilas de compuertas metálicas de alto κ como alternativa para mejorar la densidad de corriente de la compuerta para un espesor de óxido equivalente (EOT) determinado. Incluso con la introducción de nuevos materiales como el óxido de hafnio en la pila de compuerta, el NBTI permanece y a menudo se ve exacerbado por el atrapamiento de carga adicional en la capa alta de κ.
Con la introducción de puertas metálicas de alto κ, un nuevo mecanismo de degradación se ha vuelto más importante, denominado PBTI (por 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 degradación V.