La inestabilidad de temperatura de polarización negativa ( NBTI ) es un problema de confiabilidad clave en los MOSFET , un tipo de envejecimiento de los transistores . La NBTI se manifiesta como un aumento en el voltaje de umbral y la consiguiente disminución en la corriente de drenaje y la transconductancia de un MOSFET. La degradación a menudo se aproxima por una dependencia de la ley de potencia con el tiempo. Es una preocupación inmediata en los dispositivos MOS de canal p (pMOS), ya que casi siempre operan con voltaje de compuerta a fuente negativo; 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 compuerta.
Más específicamente, con el tiempo, las cargas positivas quedan atrapadas en el límite óxido-semiconductor debajo de la compuerta de un MOSFET. Estas cargas positivas cancelan parcialmente el voltaje de compuerta negativo sin contribuir a la conducción a través del canal, como se supone que hacen los huecos de electrones en el semiconductor. Cuando se elimina el voltaje de compuerta, 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 encogido, ya que hay menos promedio del efecto sobre un área de compuerta 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 coincidencia cercana de los transistores adyacentes.
La NBTI se ha vuelto importante para la electrónica portátil porque interactúa mal con dos técnicas comunes de ahorro de energía: voltajes operativos reducidos y compuerta de reloj . Con voltajes operativos más bajos, el cambio de voltaje de umbral inducido por la NBTI es una fracción mayor del voltaje lógico e interrumpe las operaciones. Cuando se desactiva un reloj, los transistores dejan de conmutar y los efectos de la NBTI se acumulan mucho más rápidamente. Cuando se vuelve a habilitar el reloj, los umbrales de los transistores han cambiado y el circuito puede no funcionar. Algunos diseños de bajo consumo cambian a un reloj de baja frecuencia en lugar de detenerse por completo para mitigar los efectos de la NBTI.
Se han debatido los detalles de los mecanismos de NBTI, pero se cree que contribuyen dos efectos: la captura de huecos con carga positiva y la generación de estados de interfaz.
La existencia de dos mecanismos coexistentes ha dado lugar a una controversia científica sobre la importancia relativa de cada componente y sobre el mecanismo de generación y recuperación de los estados de interfaz.
En los dispositivos submicrométricos, se incorpora nitrógeno al óxido de la compuerta de silicio para reducir la densidad de corriente de fuga de la compuerta y evitar la penetración de boro . Se sabe que la incorporación de nitrógeno mejora la NBTI. Para las nuevas tecnologías (longitudes de canal nominales de 45 nm y 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 compuertas, la NBTI permanece y a menudo se ve exacerbada por el atrapamiento de carga adicional en la capa de alto κ.
Con la introducción de puertas metálicas de alto κ, ha cobrado mayor importancia un nuevo mecanismo de degradación, conocido como 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 Vth.