A シンポジウム esign Automation ymposium A216 MOFET NBTI NBTI 2 NBTI NBTI NBTI [6] NBTI 2 NBTI NBTI NBTI 1 ate ate N-well N-well V PMO ate (a) PMO

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1 A シンポジウム esign Automation ymposium A216 NBTI 1 1 NBTI (Negative Bias Temperature Instability) (RBB) NBTI RBB RBB NBTI 65 nm OI (ilicon on Insulator) RBB NBTI RBB V 1 V 4 RBB NBTI RBB V 1 V 77 Measurements and Evaluations of ubstrate Bias ependence with Aging egradation by NBTI Ryo Kishida 1 Kazutoshi Kobayashi 1 Abstract: Aging degradation caused by NBTI (Negative Bias Temperature Instability) has become a significant concern with the miniaturization of electronic devices. Although RBB (Reverse Body Bias) mitigates power consumption on the stand-by mode, it has been difficult to predict degradation of integrated circuits to change NBTI-induced degradation by RBB. We measure frequencies of ring oscillators fabricated in 65 nm thin buried oxide OI (ilicon on Insulator) process to evaluate NBTI by RBB. At constant operation speed, NBTI is accelerated because electric field in a gate oxide increases. egradation rate is four times larger from to 1 V of RBB from measurement results. At constant supply voltage, NBTI is suppressed by RBB because threshold voltage increases and trapped carriers to the gate oxide decrease. egradation rate decreases by 77% from to 1 V of RBB from measurement results [1] NBTI (Negative Bias Temperature Instability) [2] NBTI 1 [3] 1 epartment of Electronics, Kyoto Institute of Technology NBTI 2 NBTI NBTI [4] NBTI NBTI NBTI [5] c 216 Information Processing ociety of Japan 5

2 A シンポジウム esign Automation ymposium A216 MOFET NBTI NBTI 2 NBTI NBTI NBTI [6] NBTI 2 NBTI NBTI NBTI 1 ate ate N-well N-well V PMO ate (a) PMO ate V + RBB Vth P-well P-well (b) N RBB NMO NMO (a) N-well V Pwell N (b) (RBB) N-well V P-well ate Vth V + RBB BOX ~ 1 nm (a) N-well V P-well N PN ON (RBB) (FBB) 2 1 (b) RBB RBB N-well V RBB P-well RBB RBB FBB N-well V FBB P-well FBB (1) [7] V th = V th + γ ( ϕ s + V sb ) ϕ s (1) 2 OTB BOX 1 nm V th V th γ ϕ s V sb BOX (Buried : ) OI (ilicon on Insulator) 2 OTB (ilicon on Thin BOX) BOX 1 nm [8] OTB NBTI 2.2 NBTI NBTI 1 [3] MOFET NBTI c 216 Information Processing ociety of Japan 51

3 A シンポジウム esign Automation ymposium A216 Vg Vg Trap Interface Trap ate efect Carrieres i V ate Vth efect i Carriers V ~ BOX 1 nm ~ ~ BOX 1 nm ~ V V + RBB 3 Atomistic Trap-based BTI (ATB) 4 RBB NBTI RBB NBTI NBTI Atomistic Trap-based BTI (ATB) [9], [1] 3 ATB MOFET (τ) s 1 9 s t log(t) NBTI PMO (V gs < V) NBTI 65 nm PBTI (Positive BTI) NMO V gs > V 65 nm PBTI 65 nm ion NMO 45 nm PBTI 45 nm high-k [11] high-k Hf ( ) ion 3 high-k 65 nm 1 nm ion high-k ion high-k NMO PBTI 65 nm high-k PBTI 2.3 NBTI NBTI 4 (RBB) MOFET RBB NBTI 3. NBTI NOR 11 NOR NBTI NOR 2 1 (ENB) NOR ENB 1 NOR NBTI ENB NOR 1 NBTI 1 ENB 5 OUT 11 ENB 1 NOR NBTI ENB c 216 Information Processing ociety of Japan 52

Aシンポジウム esign Automation ymposium A216 (2) の電源電圧一定は RAM など実際のアプリケーショ 6.2 mm ンで用いられる制御方法である [5] 逆方向基板バイアスは待機状態で低消費電力にするために印加されるが動作 65 nm process Nominal V: 1.2 V Measurement: 1.

4 Aシンポジウム esign Automation ymposium A216 (2) の電源電圧一定は RAM など実際のアプリケーショ 6.2 mm ンで用いられる制御方法である [5] 逆方向基板バイアスは待機状態で低消費電力にするために印加されるが動作 65 nm process Nominal V: 1.2 V Measurement: 1.5 V 576 ROs 速度が遅くなるため動作させるときは基板バイアスを元に戻すことが一般のアプリケーションで行われるこれにそった測定の流れを図 7 に示す発振させるときは動作状態であるため基板バイアスを V にする発振を停止す 2. mm るときは待機状態であるため基板バイアスを印加するこの待機状態にリングオシレータの全出力がとなるため NBTI ストレスがかかる発振時間は 28 µs NBTI ス図 6 試作チップ写真リングオシレータが 576 個搭載されておりトレスは 1 s 以上印加しできるだけ NBTI ストレスが支配的になるように測定する電源電圧は 1.5 V で温度はその平均値を評価する 8 C で測定を行う同じチップ同じリングオシレータで基板バイアスを変えて測定を行うため NBTI による劣化が蓄積している可 OUT 能性がある自動車や医療機器などのデバイスは電源を切 Oscillation NBTI stress > 1 s 28 µs Oscillation 28 µs VBB らず常に稼動しているため NBTI による劣化が蓄積するが今回の目的は基板バイアスによる NBTI の変動評価であるため NBTI による劣化は回復させて基板バイアス以 RBB.4V RBB1.V 外は同条件で測定する電源を切ることで NBTI による劣図 7 電源電圧一定での測定の流れ発振させるときは基板バイアスを V にし発振を停止して NBTI ストレスがかかっているときに基板バイアスを印加すると発振周波数が減少するためリングオシレータの発振周波数を時間経過毎に測定することで NBTI の影響を評化を回復させることができるため各基板バイアスでの測定には 1 時間以上電源を切って測定に間隔を空ける 4. 測定結果 3 節で説明した回路を用いて発振周波数を測定した結果を示す価する試作チップの写真を図 6 に示す 65 nm の OTB プロセスでありチップ中央下部に評価回路を配置している 4.1 動作速度一定での測定結果各基板バイアスでの測定前に NBTI による劣化が回復し 1 チップに同じ構造のリングオシレータを 576 個搭載してているかどうか初期周波数を確認する図 8 に動作速度一おりその平均値で評価する定での初期周波数のみの結果を示す各基板バイアスでの初期周波数は 1.57 Hz である最も差があるところでも変動量は.5%であり NBTI による劣化量より十分小さ 3.2 測定方法測定は以下の 2 通りの方法で行う ( 1 ) 動作速度 (Vov = Vgs Vth ) が一定いことから測定前に NBTI による劣化は蓄積していないことが確認できる図 9 に動作速度一定での NBTI 測定結果を示す横軸は ( 2 ) 電源電圧が一定 (1) の動作速度一定は RBB を増加させて Vth が増加し時間縦軸は初期周波数を基準とした発振周波数の劣化率た分電源電圧を増加させて測定を行う初めに電源電であり上にいくほど劣化している点が測定値の平均で圧 1.5 V で基板バイアスを印加しないときの初期発振周あり曲線は ATB モデルに基づいた式 (2) で表される近波数を測定する今回の測定ではこの初期発振周波数は似線 f (t) である 1.57 Hz であった RBB を変えたときにこの発振周波数と同じになる電源電圧で測定する例えば RBB を.6 V f (t) = NBTI log(t + 1) (2) 印加するとき動作速度を同じにするために電源電圧を t は時間であり NBTI は劣化度合いを示すフィッティン 1.75 V にして初期発振周波数を 1.57 Hz にそろえるグパラメータであるこの NBTI が大きいほど NBTI に初期周波数が同じとなる電源電圧とそのときの基板バイアよって劣化している図 9 の結果から逆方向基板バイアスを一定にしながら 28 µs の発振と 1 s 以上の NBTI スス (RBB) を印加するほど劣化率が増加していることがトレスを交互に繰り返しながら測定する温度は NBTI をわかる RBB を印加しないときと比べて RBB が 1 V の加速させるために 8 C とする 216 Information Processing ociety of Japan ときは劣化率が約 4 倍となった 53

A シンポジウム esign Automation ymposium A216 Initial Frequency [Hz] 1.58 1.575 1.57 1.565 1.56 Frequency Volatage.2.4.6.8 1. 2. 1.75 1.5 1.25 1. upply Voltage [V] Initial Frequency [Hz] 1.58 1.575 1.57 1.565 1.56.2.4.6.8 1. 8 egradation Rate [%] 9 egradation Factor NBTI [x 1-2 ] 1 NBTI 1.

5 A シンポジウム esign Automation ymposium A216 Initial Frequency [Hz] Frequency Volatage upply Voltage [V] Initial Frequency [Hz] egradation Rate [%] 9 egradation Factor NBTI [x 1-2 ] 1 NBTI tress Time [s] NBTI NBTI (2) NBTI 1 NBTI RBB NBTI RBB NBTI RBB 11 (1.5 V) 7 28 µs NBTI Hz.3% NBTI NBTI 12 NBTI RBB RBB RBB 1 V 77% 13 NBTI RBB NBTI 13 (3) NBTI (RBB) = a RBB + b + c (3) a, b, c (3) (1) NBTI NBTI (3) (3) 2.47 RBB NBTI RBB V 1 V 15% RBB NBTI 5. NBTI 65 nm OTB c 216 Information Processing ociety of Japan 54

A シンポジウム esign Automation ymposium A216 egradation Rate [%] 12 egradation Factor NBTI [x 1-2 ] 13.3.2.1 6 4 2 5 1 15 2 tress Time [s] NBTI 4.34 3.43 2.88-2.47RBB 1/2 +4.9 2.47 2.12 1.8 1.

6 A シンポジウム esign Automation ymposium A216 egradation Rate [%] 12 egradation Factor NBTI [x 1-2 ] tress Time [s] NBTI RBB 1/ NBTI 1/2 (RBB) NBTI RBB 1 V V 4 NBTI RBB RBB NBTI RBB RBB 1 V V 77% RBB NBTI NBTI JP 15H2677 [1] M. Bohr, The Evolution of caling from the Homogeneous Era to the Heterogeneous Era, IEM, (211), pp [2] T. rasser, B. Kaczer, W. oes, H. Reisinger, T. Aichinger, P. Hehenberger, P.-J. Wagner, F. chanovsky, J. Franco, M. T. Luque, and M. Nelhiebel, The Paradigm hift in Understanding the Bias Temperature Instability: From Reaction-iffusion to witching Traps, IEEE Trans. on Electron evices, Vol. 58, (211), pp [3] V. Huard, C. Parthasarathy, C. uerin, T. Valentin, E. Pion, M. Mammasse, N. Planes, and L. Camus, NBTI egradation: From Transistor to RAM Arrays, IRP, (28), pp [4] H. Amrouch, B. Khaleghi, A. erstlauerz, and J. Henkel, Reliability-aware esign to uppress Aging, AC, (216), pp. 12:1 12:6. [5] R. Faraji and H. R. Naji, Adaptive Technique for Overcoming Performance egradation ue to Aging on 6T RAM Cells, IEEE Trans. on ev. and Mat. Rel., Vol. 14, No. 4, (214), pp [6] J. Franco, B. Kaczer,. Eneman, P. J. Roussel, T. rasser, J. Mitard, L. Å. Ragnarsson, M. Cho, L. Witters, T. Chiarella, M. Togo, W. E. Wang, A. Hikavyy, R. Loo, N. Horiguchi, and. roeseneken, uperior NBTI Reliability of ie Channel pmofets: Replacement ate, FinFETs, and Impact of Body Bias, IEM, (211), pp [7] N. Weste and. M. Harris, CMO VLI EIN, Pearson, Addison-Wesley, (211). [8] R. Tsuchiya, M. Horiuchi,. Kimura, M. Yamaoka, T. Kawahara,. Maegawa, T. Ipposhi, Y. Ohji, and H. Matsuoka, ilicon on Thin BOX: A New Paradigm of The CMOFET for Low-Power High-Performance Application Featuring Wide-Range Back-Bias Control, IEM, (24), pp [9] H. Kukner,. Khan, P. Weckx, P. Raghavan,. Hamdioui, B. Kaczer, F. Catthoor, L. Van der Perre, R. Lauwereins, and. roeseneken, Comparison of Reaction-iffusion and Atomistic Trap-Based BTI Models for Logic ates, IEEE Trans. on ev. and Mat. Rel., Vol. 14, No. 1, (214), pp [1] B. Kaczer,. Mahato, V. V. de Almeida Camargo, M. Toledano-Luque, P. J. Roussel, T. rasser, F. Catthoor, P. obrovolny, P. Zuber,. Wirth, and. roeseneken, Atomistic Approach to Variability of Bias-Temperature Instability in Circuit imulations, IRP, (211), pp. XT.3.1 XT.3.5. [11]. Zafar, Y. Kim, V. Narayanan, C. Cabral, V. Paruchuri, B. oris, J. tathis, A. Callegari, and M. Chudzik, A Comparative tudy of NBTI and PBTI (Charge Trapping) in io2/hfo2 tacks with FUI, TiN, Re ates, VLI Tech. ymp., (26), pp c 216 Information Processing ociety of Japan 55

DAS27 27/9/ BTI BTI [5] CMOS NMOS PMOS [6] NMOS PMOS NOR BTI 2 BTI 3 BTI 4 BTI Bias Temperature Instability (BTI) BTI BTI 2 NBTI (Negative BTI)

DAS27 27/9/ BTI BTI [5] CMOS NMOS PMOS [6] NMOS PMOS NOR BTI 2 BTI 3 BTI 4 BTI Bias Temperature Instability (BTI) BTI BTI 2 NBTI (Negative BTI) DAS27 27/9/ NOR PMOS 6 NMOS 3 Threshold Voltage Conversion Method of Frequency Fluctuations Using Current Starved Ring Oscillators Ryo Kishida Jun Furuta Kazutoshi Kobayashi Abstract: It has been difficult