[논문]NMOSFET의 Hot-Carrier 열화현상

백종무; 김영춘; 조문택

doi:10.5762/kais.2009.10.12.3626

NMOSFET의 Hot-Carrier 열화현상
Hot-Carrier Degradation of NMOSFET 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.12, 2009년, pp.3626 - 3631

백종무 (대원대학 전자정보통신과) , 김영춘 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조문택 (대원대학 전기전자계열)

초록
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본 논문에서는 아날로그 회로에 사용되는 NMOSFET에 대한 Hot-Carrier 열화특성을 조사하였다. 여러 값을 갖는 게이트 전압으로 스트레스를 인가한 후, 소자의 파라미터 열화를 포화 영역에서 측정하였다. 스트레스 게이트 전압의 범위에 따라 계면 상태(interface state) 뿐 아니라 전자와 정공의 포획이 드레인 근처 게이트 산화막에서 확인되었다. 그리고 특히 낮은 게이트 전압의 포화영역에서는 정공의 포획이 많이 발생하였다. 이러한 전하들의 포획은 전달 컨덕턴스 ($g_m$) 및 출력 컨덕턴스 ($g_{ds}$)의 열화의 원인이 된다. 아날로그 동작 범위의 소자에서 파라미터 열화는 소자의 채널 길이에 매우 민감하게 반응한다. 채널길이가 짧을수록 정공 포획이 채널 전도도에 미치는 영향이 증가하게 되어 열화가 증가되었다. 이와 같이 아날로그 동작 조건 및 아날로그 소자의 구조에 따라 $g_m$ 및 $g_{ds}$의 변화가 발생하므로 원하는 전압 이득($A_V=g_m/g_{ds}$)을 얻기 위해서는 회로 설계시 이러한 요소들에 대한 고려가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study has provided some of the first experimental results of NMOSFET hot-carrier degradation for the analog circuit application. After hot-carrier stress under the whole range of gate voltage, the degradation of NMOSFET characteristics is measured in saturation region. In addition to interface states, the evidences of hole and electron traps are found near drain depending on the biased gate voltage, which is believed to the cause for the variation of the transconductance($g_m$) and the output conductance($g_{ds}$). And it is found that hole trap is a dominant mechanism of device degradation in a low-gate voltage saturation region, The parameter degradation is sensitive to the channel length of devices. As the channel length is shortened, the influence of hole trap on the channel conductance is increased. Because the magnitude of $g_m$ and $g_{ds}$ are increased or decreased depending on analog operation conditions and analog device structures, careful transistor design including the level of the biased gate voltage and the channel length is therefore required for optimal voltage gain ($A_V=g_m/g_{ds}$) in analog circuit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 아날로그 동작 범위에서 NMOSFET의 Hot-Carrier 열화시켜 트랜지스터의 소 신호 특성 변화를 분석하였다. 아날로그 회로 내에는 여러 종류의 아날로그 전기 및 센서 신호가 외부로부터 입력 될 수 있으므로 여러 범위의 게이트 전압에서 Hot-Carrier 스트레스를 행하 였다.

제안 방법

스트레스 게이트 전압(V_G)은 각 소자의 문턱 전압보다 50㎷ 또는 300㎷ 높은 전압 값을 선택하여 아날로그 범위에서 Hot-Carrier 스트레스를 행하였다. 그러나 스트레스 게이트 전압에 따른 소자의 열화 특성 조사에서는 게이트 전압을 6V 까지 증가시켜 각 게이트 전압에서 소자 특성을 비교하였다. 소자의 소신호 측정은 선형 영역의 경우, V_G=V_t+300㎷, V_DS=0.
그림 7에서 정공의 포획과 전이 영역 길이(ΔL)의 관계를 확인하기 위해 0.6㎛의 채널을 갖는 소자를 여러 종류의 드레인 전압에서 스트레스 인가 한 후 드레인 전류 변화를 조사하였다.
아날로그 회로 내에는 여러 종류의 아날로그 전기 및 센서 신호가 외부로부터 입력 될 수 있으므로 여러 범위의 게이트 전압에서 Hot-Carrier 스트레스를 행하 였다. 또한 아날로그 소자의 일반적인 동작 범위인 낮은 게이트 전압의 포화 영역에서 Hot-Carrier 스트레스도 행하였다.
Hot-Carrier 스트레스에 사용된 드레인 전압(V_DS)은 포화 드레인 전류의 2배의 드레인 전류가 흐를 때의 드레인 전압을 선택하였다. 스트레스 게이트 전압(V_G)은 각 소자의 문턱 전압보다 50㎷ 또는 300㎷ 높은 전압 값을 선택하여 아날로그 범위에서 Hot-Carrier 스트레스를 행하였다. 그러나 스트레스 게이트 전압에 따른 소자의 열화 특성 조사에서는 게이트 전압을 6V 까지 증가시켜 각 게이트 전압에서 소자 특성을 비교하였다.
아날로그 동작 범위에서 일어날 수 있는 NMOSFET의 Hot-Carrier 열화 특성을 스트레스 게이트 전압 및 소자의 채널 길이에 따라 조사하였다. 스트레스 게이트 전압이 1.
본 논문에서는 아날로그 동작 범위에서 NMOSFET의 Hot-Carrier 열화시켜 트랜지스터의 소 신호 특성 변화를 분석하였다. 아날로그 회로 내에는 여러 종류의 아날로그 전기 및 센서 신호가 외부로부터 입력 될 수 있으므로 여러 범위의 게이트 전압에서 Hot-Carrier 스트레스를 행하 였다. 또한 아날로그 소자의 일반적인 동작 범위인 낮은 게이트 전압의 포화 영역에서 Hot-Carrier 스트레스도 행하였다.
실험에 사용된 NMOSFET는 아날로그/디지털 혼합 공정에 의해 제조되었으며, 7nm의 게이트 산화막, surface-channel과 LDD (Lightly-Doped Drain) 구조를 갖는다. 측정에 사용된 소자들의 채널 폭은 10.0㎛로 일정하였으며, 채널 길이는 0.6, 0.8, 2.0 및 10.0㎛으로 그 길이를 변화시켜 채널 길이에 따른 특성 열화 경향을 조사하였다. Hot-Carrier 스트레스에 사용된 드레인 전압(V_DS)은 포화 드레인 전류의 2배의 드레인 전류가 흐를 때의 드레인 전압을 선택하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 NMOSFET는 아날로그/디지털 혼합 공정에 의해 제조되었으며, 7nm의 게이트 산화막, surface-channel과 LDD (Lightly-Doped Drain) 구조를 갖는다. 측정에 사용된 소자들의 채널 폭은 10.

데이터처리

04V에서 각각 이루어졌다. 스트레스 및 측정 과정은 상온에서 이루어졌으며, 각 결과 값은 동일 웨이퍼 상에서 제조된 20개 소자에 대한 평균값이다.

성능/효과

그림 3은 Hot-Carrier 스트레스 진행에 따라 변화되는 문턱 전압을 나타낸다. 문턱 전압은 낮은 게이트 전압 스트레스 공정에서는 감소하였으며, 다른 조건의 스트레스에서는 증가함을 확인하였다. 이러한 결과들로부터 낮은 게이트 전압에서 스트레스 행한 후 정공이 게이트 산화막에 포획되었음을 확인 할 수 있다.
선형영역에서 측정된 출력 컨덕턴스는 낮은 게이트 전압(V_gs=1V)에서 스트레스를 행한 소자에서 증가하는 반면, 높은 게이트 전압 (V_gs=3V 또는 V_gs=6V)에서 스트레스를 행한 소자에서는 감소함을 보였다. 그러나 포화영역에서 측정된 출력 컨덕턴스는 낮은 게이트 전압(Vgs=1V) 에서 스트레스를 행한 소자에서 낮은 증가율을 보였다.
포화 동작 영역에서 드레인 근처의 의사 페르미 준위(quasi-fermi level)는 전도대역으로부터 떨어져 있으므로 형성된 억셉터 형태의 계면 상태는 포화 동작 영역에서 대부분 비어 있게 되어 중성을 띄게된다. 이러한 이유로 포화 영역에서 중성인 억셉터 형태의 계면 상태보다는 양전하를 띤 정공의 영향으로 드레인 전류는 스트레스동안 증가하였으며, 선형 영역에서는 채널 전자에 의해 채워진 억셉터 형태의 계면 상태와 정공의 영향을 동시에 받게되어 드레인 전류가 스트레스동안 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

소자의 채널 길이가 짧아질수록 포획된 정공이 채널 전자의 이동도에 미치는 영향이 커지게 된다. 그러므로 채널 길이가 짧아질수록 열화 특성이 많이 나타났으며, 본 실험에서는 채널 길이가 약 0.8㎛미만인 소자에서 열화 현상이 뚜렷하게 나타나므로 이들 소자에 종래구조의 문턱전압조절의 효과를 유지하면서 소스, 드드레인 영역을 형성하거나 혹은 트렌티구조를 활용한 매우 미세한 구조의 게이트 형성기술을 통해 유효게이트 길이를 최대화하는 구조의 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아날로그용 MOS 트랜지스터의 주요 파라미터는 무엇인가?	아날로그 회로에 사용되는 MOS(Metal oxide semiconductor)트랜지스터의 동작점은 디지털용 트랜지스터와 비교해 전류-전압 특성 곡선상에서 다른 곳에 존재하기 때문에 회로 설계 시 고려해야 할 두 종류의 트랜지스터의 주요 파라미터는 일치하지 않는다. 아날로그용 MOS 트랜지스터의 경우, 주로 낮은 게이트 전압의 포화 영역에서 동작하게 되며, 주요 파라미터로는 전달 컨덕턴스 및 드레인 출력 컨덕턴스, 정합 특성 등이 있다[1,2]. 우수한 정합특성을 유지하기 위해 일반적으로 채널 길이가 디지털 트랜지스터에 비해 매우 길게 설계되며, 이러한 채널 길이는 트랜지스터의 소신호(small signal) 특성들을 개선시키게 된다[3,4].
	아날로그용 트랜지스터의 Hot-Carrier에 의한 특성 열화는 어떠한 문제점을 가지고 있는가?	아날로그용 트랜지스터의 Hot-Carrier에 의한 특성 열화는 집적화된 NMOSFET의 Hot-Carrier 효과에 의해 기판전류와 문턱전압의 증가, 트랜스컨덕턴스 및 소자의 수명이 감소되는 심각한 문제점을 안고 있으며, 이러한 긴 채널로 인하여 집적도가 뛰어난 디지털용 트랜지스터에 비해 그 영향이 무시되어 왔다. 그러나 반도체 제조 공정의 빠른 발전으로 인하여 빠른 속도를 갖는 submicron 아날로그 소자의 개발이 필요하게 되었고[7], 이에 따라 소자 파라미터의 조그마한 변화가 아날로그 회로에 매우큰 영향을 미치게 되었다[8,9].
	아날로그용 MOS 트랜지스터의 채널 길이는 디지털 트랜지스터와 비교하여 어떻게 설계되는가?	아날로그용 MOS 트랜지스터의 경우, 주로 낮은 게이트 전압의 포화 영역에서 동작하게 되며, 주요 파라미터로는 전달 컨덕턴스 및 드레인 출력 컨덕턴스, 정합 특성 등이 있다[1,2]. 우수한 정합특성을 유지하기 위해 일반적으로 채널 길이가 디지털 트랜지스터에 비해 매우 길게 설계되며, 이러한 채널 길이는 트랜지스터의 소신호(small signal) 특성들을 개선시키게 된다[3,4].

참고문헌 (9)

R. Thewes, C. Linnenbank, U. Kollmer, S. Burges, U. Schaper, R. Brederlow, W. Weber,"Mismatch of MOSFET small signal parameters under analog operation," IEEE Electron Device Lett., vol. 21, pp.552-553, 2000.

상세보기
R. Thewes, M. Brox, K. F. Goser, and W.Weber, "Hot-carrier degradation of p-MOSFETs under analog operation," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, pp. 607-617, 1997.

상세보기
J. E. Jung, K. N. Quader, C. G. Sodini, P. K. Ko, and C. Hu,"The effect of hot-electron degradation on analog MOSFET performance," in Int. Electron Devices Meet Tech. Dig., pp. 553-556, 1990.
V. H. Chan and J. E. Chung,"The impact of NMOSFET hot-carrier degradation on CMOS analog subcicuit performance,"IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 30, pp. 644-649, 1995.

상세보기
M. Yotsuyan, T. Etoh, and K. Hirata, "A 10-b 50 MHz pipeline CMOS A/D converter with S/H," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 28, no. 3, pp. 292-300, Mar. 1993.

상세보기
J. Chung, K. Quader, C. Sodini, P. Ko, and C. Hu, "The effects of hot electron degradation on analog MOSFET performance," in Int. Electron Devices Meet. Tech. Dig., pp. 553 - 556, 1990.
B.Stadlober,"About long-term effects of hot-carrier stress on n-MOSFETS," Microelectronics Reliability, vol. 40, pp. 1485-1490, 2000.

상세보기
B. S. Doyle, M. Bourcerie, C. Bergonzoni, R. Benecchi, A.Bravis, K.R.Mistry, and A. Boudou, "The generation and characterization of electron and hole traps created by hole injection during low gate voltage hot-carrier stressing of n-MOS transistors," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 37, no.8, pp. 1869-1876, 1990.

상세보기
Y. P. Tsividis, Ed., Operation and Modeling of the MOS Transistor, New York: McGraw-Hill, 1987.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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