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Analysis of Stress and Recovery Characteristics of OFF-State Stress in 3 nm-node NPFET : 3 nm 노드 나노플레이트 소자에서의 OFF-State Stress에 의한 열화 및 회복 특성 분석

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Authors

유예지

Advisor
신형철
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 전기·정보공학부,2020. 2. 신형철.
Abstract
OFF-State Stress(OSS)는 과거 다른 신뢰성 이슈에 비해 많은 관심을 가지지는 못하였다. Hot carrier stress(HCS) 나 Bias temperature instability(BTI) 가 주요 신뢰성 이슈로 다뤄져 왔다. 그러 소자가 점점 스케일링 되면서 급격히 얇은 oxide 두께나 짧아진 채널 길이의 영향으로 DIBL이나 OFF 상태에서의 누설 전류 같은 문제가 발생하게 되었다. 그에 따라서 gate-all-around field-effect transistors(GAA FET) 가 강한 게이트 제어성과 훌륭한 동작 특성을 보이며 7 nm 이하 기술 노드에서 대안으로 제시되었다. 그러나 좋은 게이트 제어성을 가진다는 것은 강한 수평 전계를 야기하였고 이는 오프 상태의 누설 전류를 더욱 심화시키게 되었다. 이 연구에서는 3 nm 노드 나노플레이트 소자에서 OSS에 대한 메커니즘에 대해 다루며, 열화와 회복 특성에 대해 분석하였다. OSS에 의한 열화는 주로 강한 수직 및 수평 전계에서 비롯된 hot hole injection(HHI)으로 인한 계면 트랩 형성 및 HfO2 defect band에서 발생하는 hole trapping 의 영향으로 인한다. Hole trapping으로 인해 Negative VT shift가 발생하며, 계면 트랩의 형성으로 인해 SS 와 IOFF 및 gm의 열화가 나타나게 된다. 계면 트랩의 경우 HHI로 인해 주로 Si-O bond를 깨뜨리며 발생하며, Si-H depassivation 에서 비롯된 계면 트랩과는 다르게 회복 단계에서 다시 passivation이 되지 않는다는 특징을 가진다. 결과적으로 이 회복 불능의 특징은 OSS가 신뢰성 이슈에서 필수적인 요소이며 이를 제할 수 없음을 의미한다. Technology computer-aided design(TCAD)를 활용하여 OSS 를 구현 후 참고 논문 상의 특성에 calibration을 진행 하였다. 이후 ballistic transport 를 고려하기 위해 Monte Carlo(MC) 시뮬레이션에서의 포화 속도와 ballistic coefficient 등의 시뮬레이션 변수들을 조정하여 IDSAT, IDLIN의 calibration 또한 진행 되었다. 이후 나노플레이트 소자에 OSS physics를 적용하여 세 가지 노드의 나노플레이트 및 참고 논문의 구조와의 특성 열화가 비교되었다. 열화는 GAA 구조상의 이유 및 최대 전계 차이로 인해 3 nm-node NPFET에서 가장 심하게 나타났으며, 이는 high power(HP) device 뿐만 아니라 nano 단위의 complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) 인버터 회로와 같은 input/output(I/O) 회로에서 심각한 특성 열화를 불러올 수 있게 된다. 따라서 NP device에서의 OSS에 대한 분석이 필요하며, 전압 및 온도 등의 다양한 스트레스 조건에서의 특성 분석이 진행되었다. 또한 recovery의 경우 positive bias temperature instability(PBTI) state에서 진행 되는데 이때의 state 조건에 따른 OSS의 회복 특성에 대해서도 분석하였다.
OFF-State Stress had not been received much attention in the past. Hot carrier stress(HCS) or bias temperature instability(BTI) were main reliability issues. However, as the devices have been scaled down, there occurred some problems such as DIBL and off leakage current due to extremely thin oxide or short channel length. Correspondingly, gate-all-around field-effect transistors(GAA FETs) have been suggested for sub-7 nm technology node candidates due to strong gate controllability and operation characteristics. This advantage of good gate controllability of GAA FETs, however, has caused a strong horizontal electric field. It can consequently cause off state leakage more severely. In this study, the mechanism and degradation / recovery characteristics of OFF-state stress(OSS) in 3-nm NPFET had been investigated. The degradation is mainly from interface trap(Nit) generation which is due to hot hole injection-induced Si-O bond dissociation and hole trapped charges in HfO2 defect band, consequently causing negative threshold voltage(VT) shift, deterioration of subthreshold swing(SS) and off current(IOFF) not to mention gm. Comparison in three types of technology node had been carried out using technology computer-aided design(TCAD). The degradation is the worst in 3 nm-node NPFET than other node transistors, and it can bring out degradation in input/output (I/O) circuits like complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) inverter as well as high power(HP) devices. Analysis in various stress bias and temperature dependency and recovery characteristics also had been carried out at different drain recovery conditions
Language
eng
URI
http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000158836
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