【半導体】⏱️ 08-08. NBTIとは何か ― MOSFETは時間で劣化する

topics: [“半導体”, “NBTI”, “信頼性”, “MOSFET”, “BSIM4”]

⏱️ はじめに

これまでの記事では、

を通して、「作った直後の MOSFET 特性」 を見てきました。

しかし実デバイスでは、

今日よかった特性が、5年後も同じとは限らない

という現実があります。

その代表例が
👉 NBTI（Negative Bias Temperature Instability）
です。

NBTI は、MOSFET が「時間」で壊れていく 現象を理解するための、
最も基本的かつ重要な信頼性問題です。

🔥 NBTIとは何か

NBTI は主に pMOSFET において、

が重なったときに発生する
時間依存の信頼性劣化現象 です。

最大の特徴は：

しきい値電圧 $V_t$ が時間とともに変化する

ことにあります。

🧠 何が起きているのか（物理像）

NBTI ストレス下では、
ゲート酸化膜とシリコン界面付近で：

が進行します。

その結果：

👉 MOSFET が「オンになりにくくなる」

これが、オン電流低下・遅延増大として現れます。

📉 V–I 特性への影響

NBTI の影響は、DC 特性にそのまま現れます。

典型的な変化：

これらはすべて、

しきい値電圧シフト（ΔVth）

の結果です。

📐 BSIM4 における NBTI の扱い

BSIM4 では、NBTI を次のように捉えます。

ただし重要な点として：

BSIM4 単体では「時間発展」を直接計算しない

そのため、SemiDevKit では：

という ハイブリッド構成 を採用しています。

🧰 SemiDevKit による NBTI 解析

使用するモジュール：

このフレームワークでは：

を 完全自動 で行います。

🔬 NBTI 解析フロー

t = 0
 ├─ VG–ID sweep
 │     ├→ Vtg0（gmmax 法）
 │     └→ Vtc0（定電流法）
 ├─ DC 抽出
 │     └→ Idlin0 / Idsat0

t > 0
 ├─ ΔVth(t) モデル適用
 ├─ ΔId(t) モデル適用
 ├─ Vtg1 / Vtc1 / Idlin1 / Idsat1 再構築

→ CSV 出力
→ 劣化プロット生成
→ VG–ID 重ね描き

🚀 実行例

cd bsim/bsim4_analyzer_reliability/run
python run_nbti_pmos.py

📊 解析結果例

■ PMOS NBTI：Vg–Id 劣化（Linear）

👉 Vg–Id カーブが右にシフト
👉 同一ゲート電圧で電流が出なくなる

■ PMOS NBTI：ΔVtg vs Stress Time

👉 劣化は 時間のべき乗則 に従う
👉 初期劣化が特に支配的

⚠️ なぜ NBTI が重要なのか

NBTI は：

を引き起こします。

特に：

では、無視できない制約条件になります。

🔗 TCAD / BSIM / SPICE の関係

NBTI もまた、これまでと同じ流れの上にあります。

👉 信頼性も「物理 → モデル → 回路」の問題です。

📝 まとめ

MOSFET は、

「動くか」ではなく
「何年動き続けるか」

で評価される時代に入っています。

次に読む記事 👉

09：HCIとは何か ― 高電界がMOSFETを壊す理由