[논문]SiON 절연층 nMOSFET의 Time Dependent Dielectric Breakdown 열화 수명 예측 모델링 개선

윤여혁

doi:10.17661/jkiiect.2023.16.4.173

초록
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본 논문에서는 4세대 VNAND 공정으로 만들어진 Peri 소자의 스트레스 영역 별 time-dependent dielectric breakdown(TDDB) 열화 메커니즘을 분석하고, 기존의 수명 예측 모델보다 더 넓은 신뢰성 평가 영역에서 신속성과 정확성을 향상시킬 수 있는 수명 예측 보완 모델을 제시하였다. SiON 절연층 nMOSFET에서 5개의 Vstr 조건에 대해 각 10번의 constant voltage stress(CVS) 측정 후, stress-induced leakage current(SILC) 분석을 통해 저전계 영역에서의 전계 기반 열화 메커니즘과 고전계 영역에서의 전류 기반 열화 메커니즘이 주요함을 확인하였다. 이후 Weibull 분포로부터 time-to-failure(TF)를 추출하여 기존의 E-모델과 1/E-모델의 수명 예측 한계점을 확인하였고, 각 모델의 결합 분리 열화 상수(k)를 추출 및 결합하여 전계 및 전류 기반의 열화 메커니즘을 모두 포함하는 병렬식 상호보완 모델을 제시하였다. 최종적으로 실측한 TDDB 데이터의 수명을 예측할 시, 기존의 E-모델과 1/E-모델에 비해 넓은 전계 영역에서 각 메커니즘을 모두 반영하여 높은 스트레스에서 신속한 신뢰성 평가로 더 정확한 수명을 예측할 수 있음을 확인하였다.

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This paper analyzes the time-dependent dielectric breakdown(TDDB) degradation mechanism for each stress region of Peri devices manufactured by 4th generation VNAND process, and presents a complementary lifetime prediction model that improves speed and accuracy in a wider reliability evaluation regio...

This paper analyzes the time-dependent dielectric breakdown(TDDB) degradation mechanism for each stress region of Peri devices manufactured by 4th generation VNAND process, and presents a complementary lifetime prediction model that improves speed and accuracy in a wider reliability evaluation region compared to the conventional model presented. SiON dielectric nMOSFETs were measured 10 times each under 5 constant voltage stress(CVS) conditions. The analysis of stress-induced leakage current(SILC) confirmed the significance of the field-based degradation mechanism in the low electric field region and the current-based degradation mechanism in the high field region. Time-to-failure(TF) was extracted from Weibull distribution to ascertain the lifetime prediction limitations of the conventional E-model and 1/E-model, and a parallel complementary model including both electric field and current based degradation mechanisms was proposed by extracting and combining the thermal bond breakage rate constant(k) of each model. Finally, when predicting the lifetime of the measured TDDB data, the proposed complementary model predicts lifetime faster and more accurately, even in the wider electric field region, compared to the conventional E-model and 1/E-model.

Keyword

표/그림 (8)

그림 그림 1. CVS(V_g = 6.5 V, EOT = 6 nm, T = 398 K)로 인한 gate 전류 변화 (TDDB 실측) Fig. 1. Behavior of the gate current under constant voltage stress (CVS with V_g = 6.5 V, EOT = 6 nm, T = 398 K)
그림 그림 2. T = 398 K에서 서로 다른 3가지 CVS 조건에서 측정한 ts에 따른 I_g : (a) V_g = 5.5 V, (b) V_g = 6.0 V, (c) V_g = 6.5 V Fig. 2. I_g vs. ts curves for different applied voltages with same T = 398 K : (a) V_g = 5.5 V, (b) V_g = 6.0 V, (c) V_g = 6.5 V
그림 그림 3. 서로 다른 3가지 CVS 조건에서의 SILC 측정 결과 (V_sen = 5 V) Fig. 3. SILC curves for different applied voltages (V_sen = 5 V)
그림 그림 4. TDDB 측정(V_g = 5.50 V, 5.75 V, 6.00 V, 6.25V, 6.50 V) Weibull 분포도 Fig. 4. Weibull plot of TDDB distribution(V_g = 5.50 V, 5.75 V, 6.00 V, 6.25V, 6.50 V)
그림 그림 5. TDDB 측정(V_g = 5.50 V, 5.75 V, 6.00 V, 6.25V, 6.50 V) Weibull 분포도 Fig. 5. Weibull plot of TDDB distribution(V_g = 5.50 V, 5.75 V, 6.00 V, 6.25V, 6.50 V)
그림 그림 6. E-모델과 1/E-모델의 전계 가속 매개변수 정확도 비교 Fig. 6. Comparison of electric field acceleration parameters accuracy between E-model and 1/E model
그림 그림 7. 전계 기반 및 전류 기반 열화 메커니즘의 보완 메커니즘 Fig. 7. Complementary field-induced and current-induced degradation mechanism
그림 그림 8. 넓은 전계 영역에서 기존 모델과 병렬식 상호보완 모델의 정확도 비교 Fig. 8. Comparison of accuracy between existing and parallel complementary models in wide electric field region

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 SiON 절연층 peri 소자에 대한 TDDB 특성을 다양한 스트레스 조건에서 확인하고, 각 전계 영역에 대한 SILC 측정을 통해 전하의 포획 및 방출 메커니즘을 분석한다. 이를 기반으로 기존의 수명 예측 모델의 정확성을 확인하고, 기존보다 더 넓은 전계 영역에서 더 높은 정확성을 보일 수 있도록 보완된 TDDB 열화 수명 예측 모델을 제안하고자 한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 SiON 절연층 peri 소자에 대한 TDDB 특성을 다양한 스트레스 조건에서 확인하고, 각 전계 영역에 대한 SILC 측정을 통해 전하의 포획 및 방출 메커니즘을 분석한다. 이를 기반으로 기존의 수명 예측 모델의 정확성을 확인하고, 기존보다 더 넓은 전계 영역에서 더 높은 정확성을 보일 수 있도록 보완된 TDDB 열화 수명 예측 모델을 제안하고자 한다.

성능/효과

그리고 일반적으로 알려진 TDDB 메커니즘은 다음과 같다. 먼저, 스트레스 전계에 의해 절연층 내부에서 결합의 분리가 발생하고 trap이 생성되며 wear-out이 시작된다. 계속해서 생성되는 일부 trap이 연결되며 Si 기판에서 게이트 전극까지 conduction path를 형성하게 되고, 이를 통해 게이트 누설 전류가 증가하며 SBD가 발생한다.

후속연구

또한 반도체 소자의 크기가 계속해서 작아짐에 따라 기존의 모델과 메커니즘에 대한 정확성이 낮아지고 있다. 이렇듯 반도체 소자의 집적화와 미세화 추세에 있어서 절연층의 TDDB 특성은 고신뢰성, 고안정도 소자 제작의 필수 불가결한 요소이지만 현재 TDDB 수명을 예측하는 모델들은 한계를 보이고 있기 때문에 고전계 TDDB 가속 평가를 통해 실제 동작 조건에서의 수명을 신속하고 정확하게 예측할 수 있는 모델이 필요하다.

참고문헌 (9)

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Dumin, J. David, "Oxide reliability: a summary of silicon oxide wearout,？breakdown, and reliability", pp. 123-134,？World Scientific, 2002.？
K. Yang, T. Liu, R. Zhang, "A comprehensive？time-dependent dielectric breakdown lifetime？simulator for both traditional CMOS and？FinFET technology.", IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems, vol. 26, no. 11, pp. 2470-2482, 2018？

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J. Shen, C. Tan, R. Jiang, W. Li, X. Fan, J.？Wu, "The TDDB Characteristics of Ultra-Thin？Gate Oxide MOS Capacitors under Constant？Voltage Stress and Substrate Hot-Carrier？Injection." Advances in Condensed Matter？Physics, vol. 29, no. 3, pp. 65-71, 2018？
A. Martin, P. O'Sullivan, A. Mathewson,？"Dielectric reliability measurement methods: a review." Microelectronics Reliability, vol.？38, no. 1, pp. 37-72, 1998？

상세보기
U. Karki, N. S. Gonzalez-Santini, F. Z. Peng,？"Effect of gate-oxide degradation on electrical？parameters of silicon carbide MOSFETs", IEEE？Transactions on Electron Devices, vol. 67, no. 6, pp. 2544-2552, 2020？

상세보기
Samanta, Piyas, "Mechanism of oxide？thickness and temperature dependent？current conduction in n+ poly Si/SiO2/p-Si？structures-a new analysis." journal of？semiconductors, vol. 38, no. 10, pp.？104-110, 2017？
Ernest Y. Wu, "Facts and myths of dielectric？breakdown processes-", IEEE Transactions on Electron Devices, vo. 66, no. 11, pp.？4523-4534, 2019？
Joe W. McPherson, "Time dependent？dielectric breakdown physics-Models？revisited." Microelectronics Reliability, vol.？52, no. 9, pp. 1753-1760, 2012？

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