Температурная нестабильность отрицательного смещения ( NBTI ) является ключевой проблемой надежности в MOSFET , типом старения транзистора . NBTI проявляется как увеличение порогового напряжения и последующее уменьшение тока стока и крутизны MOSFET. Деградация часто аппроксимируется степенной зависимостью от времени. Это вызывает непосредственную озабоченность в p-канальных MOS- устройствах (pMOS), поскольку они почти всегда работают с отрицательным напряжением затвор-исток; однако тот же самый механизм также влияет на nMOS-транзисторы при смещении в режиме накопления, т. е. при отрицательном смещении, приложенном к затвору.
Более конкретно, со временем положительные заряды оказываются захваченными на границе оксид-полупроводник под затвором МОП-транзистора. Эти положительные заряды частично нейтрализуют отрицательное напряжение затвора, не способствуя проводимости через канал, как это должны делать электронные дырки в полупроводнике. Когда напряжение затвора снимается, захваченные заряды рассеиваются в течение времени от миллисекунд до часов. Проблема стала более острой по мере уменьшения размеров транзисторов, поскольку усреднение эффекта по большой площади затвора уменьшается. Таким образом, разные транзисторы испытывают разное количество NBTI, что сводит на нет стандартные методы проектирования схем, позволяющие выдерживать производственную изменчивость, которая зависит от близкого соответствия соседних транзисторов.
NBTI стал значимым для портативной электроники, поскольку он плохо взаимодействует с двумя распространенными методами энергосбережения: пониженными рабочими напряжениями и стробированием тактовых импульсов . При более низких рабочих напряжениях вызванное NBTI изменение порогового напряжения составляет большую часть логического напряжения и нарушает работу. Когда тактовые импульсы отключаются, транзисторы перестают переключаться, и эффекты NBTI накапливаются гораздо быстрее. Когда тактовые импульсы снова включаются, пороги транзисторов изменяются, и схема может не работать. Некоторые маломощные конструкции переключаются на низкочастотные тактовые импульсы, а не останавливаются полностью, чтобы смягчить эффекты NBTI.
Детали механизмов NBTI являются предметом дискуссий, но считается, что в этом процессе участвуют два эффекта: захват положительно заряженных дырок и генерация интерфейсных состояний.
Существование двух сосуществующих механизмов привело к научным спорам относительно относительной важности каждого компонента, а также относительно механизма возникновения и восстановления состояний интерфейса.
В субмикрометровых устройствах азот вводится в кремниевый оксид затвора для снижения плотности тока утечки затвора и предотвращения проникновения бора . Известно, что включение азота увеличивает NBTI. Для новых технологий (45 нм и более короткие номинальные длины каналов) в качестве альтернативы используются металлические стеки затворов с высоким κ для улучшения плотности тока затвора при заданной эквивалентной толщине оксида (EOT). Даже при введении новых материалов, таких как оксид гафния в стек затвора, NBTI сохраняется и часто усугубляется дополнительным захватом заряда в слое с высоким κ.
С введением металлических затворов с высоким κ новый механизм деградации стал более важным, называемый PBTI (от positive bias temperatura instabilities), который влияет на nMOS-транзистор при положительном смещении. В этом случае не генерируются интерфейсные состояния, и 100% деградации Vth может быть восстановлено.