본 논문에서는 Dual oxide를 갖는 Nano-scale CMOSFET에서 각 소자의 Hot carrier 특성을 분석하여 두 가지 중요한 결과를 나타내었다. 하나는 NMOSFET Thin/Thick인 경우 CHC stress 보다는 DAHC stress에 의한 소자 열화가 지배적이고, Hot electron이 중요하게 영향을 미치고 있는 반면에, PMOSFET에서는 특히 Hot hole에 의한 영향이 주로 나타나고 있다는 것이다. 다른 하나는, Thick MOSFET인 경우 여전히 NMOSFET의 수명이 PMOSFET의 수명에 비해 작지만, Thin MOSFET에서는 오히려 PMOSFET의 수명이 NMOSFET보다 작다는 것이다. 이러한 분석결과는 Charge pumping current 측정을 통해 간접적으로 확인하였다. 따라서 Nano-scale CMOSFET에서의 NMOSFET보다는 PMOSFET에 대한 Hot camel lifetime 감소에 관심을 기울여야 하며, Hot hole에 대한 연구가 진행되어야 한다고 할 수 있다.
Park, Jinsu;Showdhury, Sanchari;Yoon, Geonju;Kim, Jaemin;Kwon, Keewon;Bae, Sangwoo;Kim, Jinseok;Yi, Junsin
한국전기전자재료학회논문지
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제33권3호
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pp.169-172
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2020
In this paper, the effect of hot carrier injection on an n-bulk fin field-effect transistor (FinFET) is analyzed. The hot carrier injection method is applied to determine the performance change after injection in two ways, channel hot electron (CHE) and drain avalanche hot carrier (DAHC), which have the greatest effect at room temperature. The optimum condition for CHE injection is VG=VD, and the optimal condition for DAHC injection can be indirectly confirmed by measuring the peak value of the substrate current. Deterioration by DAHC injection affects not only hot electrons formed by impact ionization, but also hot holes, which has a greater impact on reliability than CHE. Further, we test the amount of drain voltage that can be withstood, and extracted the lifetime of the device. Under CHE injection conditions, the drain voltage was able to maintain a lifetime of more than 10 years at a maximum of 1.25 V, while DAHC was able to achieve a lifetime exceeding 10 years at a 1.05-V drain voltage, which is 0.2 V lower than that of CHE injection conditions.
Hot carrier effects as a function of bias stress time and bias stress consitions were syste-matically investigated in p-channel poly-Si TFT s fabricated on the quartz substrate. The device degradation was observed for the negative bias stress, while improvement of electrical characteristic except for subthreshold slope was observed for the positive bias stress. It was found that these results were related to the hot-carrier injection into the gate oxide and interface states at the poly-Si/$SiO_2$interface rather than defects states generation within the poly-Si active layer under bias stress.
PMOSFETs were studied on the effect of Hot-Carrier induced drain leakage current (Gate-Induced-Drain-Leakage). The result turned out that change in Vgl(drain voltage where 1pA/$\mu$m of drain leadage current flows) was largest in the Channel-Hot-Hole(CHH) injection condition and next was in dynamic stress and was smallest in electron trapping (Igmax) condition under various stress conditions. It was analyzed that if electron trapping occurrs in the overlap region of gate and drain(G/D), it reduces GIDL current due to increment of flat-band voltage(Vfb) and if CHH is injected, interface states(Nit) were generated and it increases GIDL current due to band-to-defect-tunneling(BTDT). Especially, under dynamic stress it was confirmed that increase in GIDL current will be high when electron injection was small and CHH injection was large. Therefore as applying to real circuit, low drain voltage GIDL(BTDT) was enhaced as large as CHH Region under various operating voltage, and it will affect the reliablity of the circuit.
반도체 소자 제조에서 비용 절감을 위한 공정기술의 스케일링 가속화 경향에 따라 축소기술에 대한 요구가 증가되고 있다. 축소에 따른 또 다른 가장 큰 문제점의 하나는 Hot Carrier Injection (HCI) 특성의 열화이다. 이는 축소 과정에서 생기는 불가피한 가장 큰 이슈중의 하나이며, 특히 입출력 소자에 있어 극복하기 어려운 부분이다. 이의 개선을 위해 유효 채널 길이를 늘이고자 LDD 임플란트 공정 이전에 산화막이 추가되었고, 또한 I/O LDD 임플란트 공정의 이온 입사 각도를 최적화함으로써, LDD 영역에서 E-field 열화 없이 HCI 규격을 만족할 수 있었다.
It is shown that the hot carrier degradation due to enhanced hot holes trapping dominates PMOSFETs lifetime both in thin and thick devices. Moreover, it is found that in 0.13 ${\mu}m$ CMOSFET the PMOS lifetime under CHC (Channel Hot Carrier) stress is lower than the NMOSFET lifetime under DAHC (Drain Avalanche Hot Carrier) stress. Therefore. the interface trap generation due to enhanced hot hole injection will become a dominant degradation factor. In case of thick MOSFET, the degradation by hot carrier is confirmed using charge pumping current method and highly necessary to enhance overall device lifetime or circuit lifetime in upcoming nano-scale CMOS technology.
An experiment on characteristics of nMOSFET's in the long stress condition with the maximum of the substrate current has been carried out in order to study on the degradation due to the hot-carrier effect. Based on the measured result of the threshold voltage, the damage is mostly due to the hole injection into the oxide. After long stress, it was shown that the drain current increased at low gate voltages and hence decreased at high gate voltages.
This paper is focused on the improvement of MOS device reliability related to deuterium process. The injection of deuterium into the gate oxide film was achieved through two kind of method, high-pressure annealing and low-energy implantation at the back-end of line, for the purpose of the passivation of dangling bonds at $SiO_2/Si$ interface. Experimental results are presented for the degradation of 3-nm-thick gate oxide ($SiO_2$) under both negative-bias temperature instability (NBTI) and hot-carrier injection (HCI) stresses using P and NMOSFETs. Annealing process was rather difficult to control the concentration of deuterium. Because when the concentration of deuterium is redundant in gate oxide excess traps are generated and degrades the performance, we found annealing process did not show the improved characteristics in device reliability, compared to conventional process. However, deuterium ion implantation at the back-end process was effective method for the fabrication of the deuterated gate oxide. Device parameter variations under the electrical stresses depend on the deuterium concentration and are improved by low-energy deuterium implantation, compared to conventional process. Our result suggests the novel method to incorporate deuterium in the MOS structure for the reliability.
We have studied the hot-carrier-induced degradation caused by the high channel electric field due to the decrease of the gate length of MOSFET used in VLSI. Under DC stress, the condition in which maximum substrate current occures gave the worst degradation. Under AC dynamic stress, other conditions, the pulse shape and the falling rate, gave enormous effects on the degradation phenomena, especially at 77K. Threshold voltage, transconductance, channel conductance and gate current were measured and compared under various stress conditions. The threshold voltage was almost completely recovered by hot-injection stress as a reverse-stress. But, the transconductance was rapidly degraded under hot-hole injection and recovered by sequential hot-electron stress. The Si-SiO2 interface state density was analyzed by a charge pumping technique and the charge pumping current showed the same trend as the threshold voltage shift in degradation process.
Hot carrier effects as a function of bias stress time and bias stress conditions were syste-matica1ly investigated in p-channel po1y-Si TFT's fabricated on the quartz substrate. The device degradation was observed for the negative bias stress. After positive bias stressing, Improvement of electrical characteristic except for subthreshold slope was observed. It was found that these results were related to the hot carrier injection into the gate oxide and interface states at the poly-Si/SiO$_2$interface rather than defects states generation under bias stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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