[논문]PMOSFET의 채널 길이에 따른 NBTI 스트레스와 CHC 스트레스의 신뢰성 특성 비교 분석

유재남; 권성규; 신종관; 오선호; 장성용; 송형섭; 이가원; 이희덕

doi:10.4313/jkem.2014.27.7.438

PMOSFET의 채널 길이에 따른 NBTI 스트레스와 CHC 스트레스의 신뢰성 특성 비교 분석
Comparative Analysis of Channel Length Dependence of NBTI and CHC Characteristics in PMOSFETs 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.7, 2014년, pp.438 - 442

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Channel length dependence of NBTI (negative bias temperature instablilty) and CHC (channel hot carrier) characteristics in PMOSFET is studied. It has been considered that HC lifetime of PMOSFET is larger than NBTI lifetime. However, it is shown that CHC degradation is greater than NBTI degradation f...

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1. Lifetime of PMOSFET versus channel length after (a) NBTI stress at 125℃ and (b) CHC stress at 25℃.

제안 방법

각각의 채널 길이에 대해 세 가지 전압 조건의 CHC 스트레스 또는 NBTI 스트레스를 시간에 따라 측정하였고, 스트레스 전압 조건에 대해 일정 전류에서의 문턱 전압 (V_tcc), 외삽법으로 추출한 문턱 전압(V_text), 드레인 포화 전류 (I_Dsat)를 추출하였다. 추세선을 통해 초기값 대비 10%가 변하기까지의 수명을 예측하였다.
추세선을 통해 초기값 대비 10%가 변하기까지의 수명을 예측하였다. 그리고 3가지 스트레스 전압의 역수에 대한 초기값 대비 10% 변하기까지의 수명을 추세선을 통해 트렌지스터의 동작전압으로 비율적으로 감소시켜 동작전압 (V_DD= 1.5 V)의 1.1배 (1.1 V_DD)에서의 수명을 예측하였다.
본 논문에서는, CHC 스트레스와 NBTI 스트레스에 한 소자 수명을 채널 길이에 따라 비교 분석하였다. 또한, 각각의 스트레스에 의한 소자 열화 메커니즘을 분석하기 위해 전하 펌핑 기술 (charge pumping technique)을 통한 산화막과 채널 사이의 트랩 (N_it)과 게이트 산화막에서 발생하는 트랩 (N_t)로 나누어 트랩의 위치에 따른 영향을 분석하였다.
) 변화를 확인하였고, 이를 통해 산화막 계면 트랩 수의 추출 및 변화를 분석하였다. 또한, 섭씨 25℃에서 동일한 측정 방식으로 CHC 스트레스에 따른 특성을 함께 측정하여 비교 분석하였다.
채널 길이가 줄어듦에 따라 NBTI 스트레스에 비해 CHC 스트레스 이후의 PMOSFET의 수명이 급격하게 감소하는 원인을 분석하기 위해 전하 펌핑 측정과 플리커 잡음 결과를 분석하였다. 먼저 그림 2와같이 게이트 산화막과 채널이 맞닿아 있는 경계(interface)에 존재하는 계면 트랩의 양을 확인하기 위해 각각 전하 펌핑 측정을 통해 분석하였다. Chen은 전하 펌핑 측정 시 게이트 전압에 걸리는 펄스를 통해 MOSFET의 채널에 전송자가 축적 상태 (accumulation)으로부터 반전 상태 (inversion)으로, 그리고 다시 축적 상태로 돌아올 때 가장 큰 전류가 흐르게 되는데, 이 최대 전하 펌핑 전류 (I_cp(max))를 가지고 아래와 같이 Si-SiO₂ 경계의 트랩 수를 구할 수 있다고 설명하고 있다 [14]
본 논문에서는, CHC 스트레스와 NBTI 스트레스에 한 소자 수명을 채널 길이에 따라 비교 분석하였다. 또한, 각각의 스트레스에 의한 소자 열화 메커니즘을 분석하기 위해 전하 펌핑 기술 (charge pumping technique)을 통한 산화막과 채널 사이의 트랩 (N_it)과 게이트 산화막에서 발생하는 트랩 (N_t)로 나누어 트랩의 위치에 따른 영향을 분석하였다.
0μm인 PMOSFET이다. 소자 특성 측정 및 신뢰성 스트레스 인가를 위해 사용된 장비는 semiconductor parameter analyzer (HP4156C), 플리커 잡음을 측정하기 위해 low-noise current amplifier (SR570), dynamic signal analyzer (HP35670A) 장비와 1 Hz 필터를 사용하였고, 전하 펌핑 측정을 위해 pulse generator (Agilent 81101A) 장비를 사용하였다.
경계의 트랩 농도, W는 소자의 폭, L은 소자의 길이를 나타낸다. 스트레스 전압, 시간에 따른 최대 전하 펌핑 전류의 변화를 각각 확인하였고, 앞서 언급한 대로 각 스트레스 전압 별로 10년 이후의 게이트 산화막과 채널의 경계면에 존재하는 트랩의 수를 예측하였고, 이를 기준으로 동작전압의 1.1배 (1.1 V_DD)로 비율적으로 축소하여 10 년 이후의 트랩의 수를 예측하였다.
실험은 NBTI 스트레스의 경우, 채널 길이가 서로 다른 네 가지의 소자에 대해 섭씨 125℃에서 서로 다른 세 가지 전압 스트레스를 가하면서 스트레스 전후에 게이트 전압에 따른 드레인 전류 (I_dsat), 일정 전류 임계 전압 (V_tcc), 외삽 임계 전압 (V_text), 플리커 잡음, 전하 펌핑 전류 (I_cp) 변화를 확인하였고, 이를 통해 산화막 계면 트랩 수의 추출 및 변화를 분석하였다. 또한, 섭씨 25℃에서 동일한 측정 방식으로 CHC 스트레스에 따른 특성을 함께 측정하여 비교 분석하였다.
통합 모델은 트랩에 trapping/detrapping하는 것과 트랩의 극성에 전송자가 이끌려 이동도가 변화하는 것을 통해 게이트 산화막 내의 전송자 수로 통합한 모델이다[18]. 이번 실험에서 이 통합 모델을 통해 PMOSFET의 게이트 산화막에 존재하는 트랩의 수를 추출하였다.
채널 길이가 줄어듦에 따라 NBTI 스트레스에 비해 CHC 스트레스 이후의 PMOSFET의 수명이 급격하게 감소하는 원인을 분석하기 위해 전하 펌핑 측정과 플리커 잡음 결과를 분석하였다. 먼저 그림 2와같이 게이트 산화막과 채널이 맞닿아 있는 경계(interface)에 존재하는 계면 트랩의 양을 확인하기 위해 각각 전하 펌핑 측정을 통해 분석하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 소자는 게이트 산화막 두께가 약 31Å, 게이트 넓이(gate width)가 20 μm, 채널 길이(channel length)가 0.13 μm, 0.25 μm, 0.5 μm, 1.0μm인 PMOSFET이다.

성능/효과

(b)와 같이 채널 길이가 1.0 μm에서 0.13 μm으로 감소할 때, 약 1013∼1019배 정도 수명이 급격하게 감소한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이러한 열화의 원인은 게이트 산화막에서의 열화 보다는 게이트 산화막과 채널의 경계면에서 발생하는 열화 현상으로 파악된다. 따라서 채널 길이가 점차 줄어듦에 따라 PMOSFET에서 CHC 스트레스에 따른 열화 특성 분석은 반드시 고려되어야 할 것이며, 공정 시 게이트 산화막과 채널의 경계면에서 발생하는 트랩에 대한 분석 및 이를 줄이는 방안이 반드시 고려되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PMOSFET의 신뢰성 분석이 중요한 이유는?	특히 digital 회로 및 ADC/DAC 등의 analog 회로에서 폭넓게 사용되는 PMOSFET의 경우, 그 동작조건에 따라 NBTI (negative bias temperature instability) 스트레스와 CHC (channel hot carrier) 스트레스를 받게 되어 이러한 신뢰성 분석은 매우 중요하다 [3,4]. 반전 동작 (inversion operation) 시, pMOSFET의 채널 영역에 있는 정공들에 의해 NBTI에 의한 특성 열화가 발생한다 [5].
	MOSFET은 어떻게 변하고 있는가?	MOSFET의 동작 전압 및 소비 전력 감소, 성능 향상을 위해 고집적화, 미세화가 이루어지고 있으며, 대표적으로 MOSFET의 채널 길이(channel length)가 경쟁적으로 감소되고 있다. 하지만 채널 길이가 감소됨에 따라 MOSFET의 신뢰성 문제도 함께 대두되고 있다 [1,2].
	PMOSFET에 NBTI 스트레스는 어떤 영향을 주는가?	고온에서 이 정공들로 인해 Si-H 결합이 깨지게 되며, 절연체 내에 fixed oxide charge가 형성되기도 한다 [2]. NBTI 스트레스는 pMOSFET에서 가장 열화가 심한 스트레스로 여겨지고 있으며, 이로 인해 NBTI 스트레스 이후의 소자 수명은 다른 스트레스들 이후의 수명보다 더 낮다 [6]. CHC 스트레스 이후의 pMOSFET의 신뢰성은 이미 오랫동안 많이 연구되어 왔다 [7-9].

참고문헌 (19)

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Y. Wang and M. Zwolinski, Int. conf. on Solid-State and Integrated-Circuit Technology(IEEE), 440 (2008).
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C. R. Parthasarathy, M. Denais, V. Huard, G. Ribes, E. Vincent, and A. Bravaix, Reliability Physics Symposium 2007. Proc. of 45th Annual, 696 (2007).
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C. Chen, IEEE Trans. Electr. Dev., 45, 512 (1998).

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