This paper presents one of the first comprehensive studies of how hot electron degradation impacts the input offset voltage of a CMOS differential amplifiers. This study utilizes the concept of a virtual source-coupled MOSFET pair in order to evaluate offset voltaged egradation directly from individual device measurement. Next, analytical models are developed to describe the offset voltage degradation. These models are used to examine how hot electron induced offset voltage is affected with the device parameters.
Characteristics of hot-electron-induced degradation by AC, DC was investigated for p-MOSFET's(W/L=25/l$\mu$m) with sub-10nm RTP-CVD gate oxides. It was confirmed that the surface channel p-MOSFET of a thinner gate oxide shows less degradation. Mechanisms for this effect were analyzed using a simple MOS Device degradation model. It was found that the number of generated electron traps(fixed charge) is determined by the amount of peak gate current, dependent of the gate oxide thickness, and the major cause of the smaller degradation in the thinner gate oxide devices is the lower hot electron trapping carriers.
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.
SIMOX 웨이퍼를 사용하여 제작된 GAA 구조 SOI MOSFET의 열전자에 의한 소자열화를 측정·분석하였다. nMOSFET의 열화는 스트레스 게이트 전압이 문턱전압과 같을 때 최대가 되었는데 이는 낮은 게이트 전압에서 PBT 작용의 활성화로 충격이온화가 많이 되었기 때문이다. 소자의 열화는 충격이혼화로 생성된 열전자와 홀에의한 계면상태 생성이 주된 원인임을 degradation rate와 dynamic transconductance 측정으로부터 확인하였다. 그리고 pMOSFET의 열화의 원인은 DAHC 현상에서 생성된 열전자 주입에 의한 전자 트랩핑이 주된 것임을 스트레스 게이트 전압변화에 따른 드레인 전류 변화로부터 확인 할 수 있었다.
Hot carrier 스트레스후의 RF-nMOSFET의 DC 및 RF 특성열화를 분석하기 위해 기존의 열화 모델을 적용하였다. 드레인전류 열화보다 차단주파수 열화가 심하였으며 RF-nMOSFET의 열화변화율 n과 열화변수 m은 기존의 bulk MOSFET의 것과 같았다. Multi-finger 게이트 소자에서 finger수가 많을수록 열화가 적게 된 것은 큰 소스/드레인의 저항과 포화전압에 의한 것임을 알 수 있었다. 스트레스의 후의 RF성능 저하는 g/sub m/과 C/sub gd/의 감소와 g/sub ds/의 증가에 의한 것임을 알 수 있었다. 기판전류를 측정하므로 RF소자의 DC 및 RF특성 열화를 예견할 수 있었다.
In this study, the degradation characteristics of drain output resis-tance was described due to hot electron effects. An semi-empirical model for the degraded drain output resistance was derived from the measured device characteristics. The suggested model was verified from the measured data and the device parameter dependence was also analyzed. The degradation of drain output resistance was increased with stress time and had linear relationship with the degradation of drain current. The device lifetime which was defined by failure criteria of drain output resistance (such as $\Delta$ro/roo=5%) was equivalent to that of failure criteria of drain current (such as $\Delta$ID/ID=5%)
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.
Channel width dependence of hot-carrier effect in nMOSFET with shallow trench isolation is analyzed. $I_{sub}$- $V_{G}$ and $\Delta$$I_{ㅇ}$ measurement data show that MOSFETs with narrow channel-width are more susceptible to the hot-carrier degradation than MOSFETs with wide channel-width. By analysing $I_{sub}$/ $I_{D}$, linear $I_{D}$- $V_{G}$ characteristics, thicker oxide-thickness at the STI edge is identified as the reason for the channel-width dependent hot-carrier degradation. Using the charge-pumping method, $N_{it}$ generation due to the drain avalanche hot-carrier (DAHC) and channel hot-electron (CHE) stress are compared. are compared.
In this paper, the hot carrier effect and device degradation of deep submicrometer SC-PMOSFETs have been measured and characterized. It has been shown that the substrate current of a 0.15$\mu$m PMOSFET increases with increasing of impact ionization rate, and the impact ionization rate is a function of the gate length and gate bias voltage. Correlation between gate current and substrate current is investigated within the general framework of the lucky-electron. It is found that the impact ionization rate increases, but the device degradation is not serious with decreasing effective channel length. SCIHE is suggested as the possible phusical mechanism for enhanced impact ionization rate and gate current reduction. Considering the hot carrier induced device degradation, it has been found that the maximum supply voltage is about -2.6V for 0.15$\mu$m PMOSFET.
In this paper semi empirical models are presented for the hot electron induced threshold voltage shift(${\Delta}V_{t}$) and effective channel shortening length (${\Delta}L_{H}$) in degraded PMOSFET. Trapped electron charges in gate oxide are calculated from the well known gate current model and ΔLS1HT is calculated by using trapped electron charges. (${\Delta}L_{H}$) is a function of gate stress voltage such as threshold voltage shift and degradation of drain current. From the correlation between (${\Delta}L_{H}$) has a logarithmic function of stress time. From the measured results, (${\Delta}V_{t}$) and (${\Delta}L_{H}$) are function of initial gate current and device channel length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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