📘 4.3 MOSトランジスタの信頼性劣化：BTIとHCI
4.3 Reliability Degradation in MOSFETs: BTI and HCI
🎯 節の目的｜Objectives
| 🇯🇵 日本語 | 🇺🇸 English |
|---|---|
| MOSトランジスタの長期使用により発生する信頼性劣化（BTI, HCI）の物理的背景と影響を理解する | Understand the long-term reliability degradation mechanisms in MOSFETs (BTI, HCI) and their impact. |
| 設計時に考慮すべき時間依存性・劣化耐性の視点を導入する | Introduce time-dependent reliability and design robustness as critical aspects of CMOS design. |
1. 🔌 BTI：バイアステンパラチャインスタビリティ
BTI: Bias Temperature Instability
▶ 概要｜Overview
- 高温下でゲートに 正負のバイアスを印加し続けると、酸化膜・界面にトラップ準位が形成される
- これにより、Vth（しきい値電圧）が時間と共に変動
🔹 NBTI / PBTI の比較｜NBTI vs. PBTI
| 効果｜Effect | 主な影響｜Main Effect | 対象トランジスタ｜Target Device |
|---|---|---|
| NBTI（負バイアス） | Vth上昇 → 遅延増大 | PMOS（負Vgs時） |
| PBTI（正バイアス） | Vth変化（主に高kで顕在化） | NMOS（HKMG使用時） |
📌 NBTI劣化によるPMOSの遅延増大は、SRAMやデジタル回路で重要な課題
2. ⚡ HCI：ホットキャリア注入
2. ⚡ HCI: Hot Carrier Injection
▶ 概要｜Overview
- 高Vdsで動作すると、チャネル中のキャリアが加速されて、高エネルギー状態（ホットキャリア）になる
- これが酸化膜に注入されて トラップ電荷を形成 → 劣化を引き起こす
🔥 劣化の特徴｜Key Effects
| 劣化要素 | 結果 |
|---|---|
| トラップ電荷の蓄積 | Vthシフト、Idの低下（gm劣化） |
| 遅延増大 | スイッチ速度の低下 |
📌 NMOSの飽和領域（高Vds動作）で特にHCIが顕著に発生
3. 📊 比較とモデル化｜Comparison and Modeling
| 特性項目 | BTI | HCI |
|---|---|---|
| 主因｜Cause | 高温 × バイアス | 高電界 × 高周波スイッチング |
| 主効果｜Primary Effect | Vth変動 | gm・Id低下、Vthシフト |
| 回復性｜Recoverability | 部分的に回復（リラックス） | 基本的に不可逆 |
| モデル式｜Model | $\Delta V_{th} \propto t^n$（時間依存） | Vds依存 × スイッチ頻度で劣化進行 |
🧠 教育では、劣化 → 測定 → 回復の擬似シナリオが有効（SPICEで再現可能）
4. 🧪 教材プロセスにおける実践方法
4. 🧪 Educational Implementation in sky130 / 0.18µm
| 教材内容｜Method | 概要｜Description |
|---|---|
| Vth変動のシミュレーション | SPICEで ΔVth を与え、回路の遅延・動作変化を可視化 |
| gm劣化の仮想実験 | Idの波形変化 → ロジック遅延への影響を観察 |
| 高温・高Vds条件による応答解析 | 温度・電圧Sweepで波形の変化を追跡 |
📌 sky130 や 0.18µm では正式な劣化モデルが無い場合もあるが、設計的理解の導入教材として非常に有効
5. 🧩 設計との接続｜Design Implications
- 信頼性劣化は「時間依存の設計限界」であり、初期設計時には見えにくい課題
- 設計時に以下のような方針が重要：
| 対応方針 | 内容 |
|---|---|
| セル選定 | High-Vthセル、Low-Vds設計の検討 |
| 動作条件制御 | バイアス・デューティ制御でストレスを緩和 |
| 冗長設計 | エージング補正回路、セルばらけ配置など |
🔄 次節への接続｜Transition to Next Section
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|---|---|
| 次節では、こうしたMOS特性と劣化メカニズムを踏まえ、デザインルールと寸法規則の背景と意味を解説します。 | Next, we explore how these MOS characteristics and reliability constraints shape design rules and physical dimensions. |
👉 4.4 デザインルールと寸法規則の意味 に進む
👉 Go to 4.4: Meaning Behind Design Rules
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