Metodologia determinística para simulação elétrica do impacto de BTI em circuitos MOS

Abstract

Aborda-se, nesse trabalho, o fenômeno de envelhecimento de transistores MOS por bias temperature instability (BTI), relevante fator de degradação da confiabilidade e de redução do tempo de vida de circuitos integrados CMOS. Uma nova modelagem matemática determinística para BTI é introduzida, proporcionando, rapidamente, informação acerca do desvio na tensão de limiar de um transistor em decorrência da ação de BTI. O modelo é, então, implementado em uma ferramenta comercial SPICE, com o intuito de se verificarem, através de simulações transientes, os efeitos de BTI em circuitos CMOS; nesse sentido, a abordagem determinística representa um enorme avanço em relação à modelagem estocástica tradicional, que, muitas vezes, não pode ser aplicada em simulações transientes de circuitos complexos, devido ao seu vultoso custo computacional. O fenômeno de alargamento de pulso induzido pela propagação (PIPB) de single event transients (SETs), verificado experimentalmente na literatura, é estudado e tido como resultado da ação de BTI nas bordas de subida e descida do pulso transiente. À vista disso, simula-se a propagação de um pulso SET injetado na entrada de uma cadeia de 10000 inversores lógicos de tecnologia PTM bulk 90nm, verificando a dependência do alargamento de pulso com a tensão de alimentação, com o tempo de estresse DC anterior à aplicação do pulso e com a frequência do sinal de entrada. O aumento do atraso de portas lógicas em decorrência da ação de bias temperature instability é abordado, também, através da simulação da aplicação de um pulso nas entradas de uma porta NAND, medindo-se a variação do tempo de atraso de propagação devido à inserção da modelagem matemática para BTI. Utiliza-se novamente o modelo de transistores PTM bulk 90nm, e apuram-se os efeitos da variação da tensão de alimentação e do tempo de estresse DC no tempo de atraso de propagação. Por fim, as disparidades na variação do atraso para as bordas de subida e descida de pulsos lógicos de nível alto-baixo-alto (“101”) e baixo-alto-baixo (“010”) são verificadas, sendo explicadas em termos do diferente impacto de BTI para os períodos de estresse e de relaxação e, também, para transistores PMOS e NMOS.

This work addresses the aging of MOS transistors by bias temperature instability (BTI), which is a key factor to the degradation of the reliability and of the lifetime of CMOS integrated circuits. A novel deterministic mathematical model is presented, providing fast information about the impact of BTI in the transistors threshold voltage shifts. The model is implemented in a commercial SPICE tool, in order to verify the effects of BTI in CMOS circuits through transient simulations; in this sense, the deterministic approach represents a great advance compared to the traditional stochastic modelling, that may result in prohibitively long transient simulations for complex circuits, due to its huge computation cost. The phenomenon of propagation induced pulse broadening (PIPB) of single event transients (SETs), verified experimentally in the literature, is studied and understood as the result of the BTI effect on the rising and falling edges of the transient pulse. Therefore, the propagation of a SET injected in the input of a 10,000-inverters chain is simulated, using the PTM bulk 90nm technology model, verifying the dependence of the pulse broadening on the supply voltage, on the DC stress time previous to the application of the pulse and on the input signal frequency. The increase of the propagation delay of logic gates due the action of bias temperature instability is also studied through the simulation of the injection of a pulse in the inputs of a NAND gate, and the variation of the propagation delay time due to the BTI effect is evaluated. The PTM bulk 90nm model is used once again, and the outcome of variations on the supply voltage and on the DC stress time on the propagation delay is measured. Finally, the disparities on the delay variation for the rising and falling edges of high-low-high (“101”) and low-high-low (“010”) input logic pulses are verified, and they are explained as the result of the different impact of BTI for the stress and recovery periods and also for PMOS and NMOS transistors.