Температурные зависимости напряжения пробоя высоковольтного КНИ LDMOS транзистора

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обсуждаются результаты исследования температурных зависимостей напряжения пробоя мощных КНИ nLDMOS транзисторов с длинной областью дрейфа с топологическими нормами 0.5 микрон. Основное внимание сфокусировано на влиянии механизма генерации и пассивации ловушек на границе раздела Si/SiO2 в сильных электрических полях. Экспериментально и теоретически проанализирована зависимость напряжения пробоя в диапазоне температуры окружающей среды от -60о С до 300о С и определен диапазон температур от 25° С до 220° С, где напряжение пробоя практически постоянно. Рассмотрена возможность восстановления уровня напряжения пробоя после длительного периода покоя, что является предпосылкой для продления срока эксплуатации устройства.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Новоселов

Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований РАН

Email: volkov@niisi.ras.ru
Россия

М. Р. Гусев

Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований РАН

Email: volkov@niisi.ras.ru
Россия

Н. В. Масальский

Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: volkov@niisi.ras.ru
Россия

Список литературы

  1. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Interconnect, 2020 Edition. [Online] Available: https://irds.ieee.org/editions/2020 (data access 12.02.2023).
  2. de Jong M.J., Salm C., Schmitz J. Effect of Ambient on the Recovery of Hot-Carrier Degraded Devices // In Proceedings of the 2020 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Dallas, TX, USA, 28 April-30 May 2020. P. 1–6.
  3. Chuang K.H., Bury E., Degraeve R., Kaczer B., Kallstenius T., Groeseneken G., Linten D., I. Verbauwhede I. A multi-bit/cell PUF using analog breakdown positions in CMOS // IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). 2018. 11–15 March 2018. Burlingame, CA, USA. P. PCR.2.1–PCR.2.5.
  4. Nanoelectronics: Devices, Circuits and Systems. Editor by Brajesh Kumar Kaushik. Elsevier. 2018.
  5. Reggiani S., Barone G., Gnani E., Gnudi A., Baccarani G., Poli S., Wise R, Chuang M.Y., Tian W., Pendharkar S., Denison M. Characterization and modeling of high-voltage LDMOS transistors in book Hot carrier degradation semiconductor devices by ed T. Grasser, 2015, Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London. P. 309–340.
  6. Liebmann L., Smith J., Chanemougame D., Gutwin P. CFET Design Options, Challenges, and Opportunities for 3D Integration. In Proceedings of the 2021 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 13–15 December 2021. P. 3.1.1–3.1.4.
  7. Stesmans A. Passivation of Pb0 and Pb1 interface defects in thermal (100) Si/SiO2 with molecular hydrogen // Applied Physics Letters. 1996. V. 68. № 15. P. 2076–2078.
  8. Румянцев С.В., Новоселов А.С., Масальский Н.В. Исследование эффекта самонагревания в высоковольтных КНИ транзисторах с большой областью дрейфа. Микроэлектроника. 2022. T. 51. № 5. C. 377–385.
  9. Lundstrom M., Guo J. Nanoscale Transistors: Device Physics, Modeling and Simulation. Springer: New York, 2006.
  10. Tang T.W., Gan H. Two formulations of semiconductor transport equations based on spherical harmonic expansion of the Boltzmann transport equations // IEEE Trans. Elec. Dev. 2000. V. 47. P. 1726–1732.
  11. McMahon W., Haggag A., Hess K. Reliability Scaling Issues for Nanoscale Devices // IEEE Trans. Nanotech., 2003. V. 2. № 1. P. 33–38.
  12. Новоселов А.С., Масальский Н.В. Влияние деградации горячих носителей на характеристики высоковольтного КНИ транзистора с большой областью дрейфа // Микроэлектроника. 2023 T. 52. № 5. C. 423–430.
  13. Ragnarsson. L.A., Lundgren P. Electrical characterization of Pb centers in (100) Si–SiO2 structures: the influence of surface potential on passivation during post metallization anneal // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. № 2. P. 938–942.
  14. Federspiel X., Torrente G., Arfaoui W., Cacho F., Huard V. Temperature sense effect in HCI self-heating de convolution: application to 28nm FDSOI // IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). 2016. P. XT-09–1–XT-09–4.
  15. Hot-Carrier Degradation, ed. By T. Grasser, Springer, Wien, New York, 2015.
  16. Brower K.L. Dissociation kinetics of hydrogen-passivated (111) Si-SiO2 interface defects // Physical Review B. 1990. V. 42. № 6. P. 3444–3454.
  17. Brower K.L. Kinetics of H2 passivation of Pb centers at the (111) Si-SiO2 interface // Physical Review B. 1988. V. 38. № 14. P. 9657–9664.
  18. Rashkeev S., Ventra M., Pantelides S. Hydrogen passivation and activation of oxygen complexes in silicon // Applied Physics Letters. 2001. V. 78. P. 1571–1573.
  19. Grasser T. The capture/emission time map approach to the bias temperature instability. in Bias Temperature Instability for Devices and Circuits. Springer, 2014, P. 447–481.
  20. Lee G.B., Kim C.K., Park J.Y., Bang T., Bae H., Kim S.Y., Ryu S.W., Choi Y.K. A novel technique for curing hot-carrier induced damage by utilizing the forward current of the PN-junction in a MOSFET // IEEE Electron Device Letters. 2017. V. 38. № 8. P. 1012–1014.
  21. de Jong M. ., Salm C., Schmitz J. Towards understanding recovery of hot-carrier induced degradation. Microelectronics Reliability. 2018. V. 88. P. 147–151.
  22. 22. Edwards A. H. Interaction of H and H2 with the silicon dangling orbital at the 〈111〉 Si/SiO2 interface // Physical Review B. 1991. V. 44. № 4. P. 1832–1838.
  23. Guerin C., Huard V., Bravaix A. General Framework about Defect Creation at the Si/SiO2 Interface // J. Appl. Phys.2009. V. 105. P. 114 513–1–114 513–12.
  24. McMahon W., Matsuda K, Lee J., Hess K., Lyding J. The Effects of a Multiple Carrier Model of Interface States Generation of Lifetime Extraction for MOSFETs. in Proc. Int. Conf. Mod. Sim. Micro. 2002. V. 1. P. 576–579.
  25. Fischetti M.V., Vandenberghe W.G. Advanced Physics of Electron Transport in Semiconductors and Nanostructures, New York, U.S.A.: Springer, 2016.
  26. Reggiani S., Barone G., Poli S., Gnani E., Gnudi A., Baccarani G., Chuang M.Y., Tian W., Wise R. TCAD simulation of hot-carrier and thermal degradation in STI–LDMOS transistors // IEEE Trans. Electron Devices. 2013. V. 60. № 2. P. 691–698.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальные данные: изменение напряжения пробоя (Ubr) от количества циклов N при разных температурах: а) сверху – вниз – T = -60°C, 0°C, 25°C; б) сверху – вниз – T = 225°C, 125°C, 25°C; нижняя кривая – T = 300°C.

Скачать (113KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределения энергий активации связи Si-H в начале каждой фазы для постоянного напряжения Uds, где 1 – в начале первого цикла восстановления (усеченный гаусс), 2 – в начале четвертого цикла.

Скачать (55KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение энергии в начале первого цикла (пунктирная линия) и в разные моменты в течение первой фазы (сплошные линии).

Скачать (62KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость деградации подвижности от изменения концентрации ловушек.

Скачать (46KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость Ubr(T), где черные квадраты – экспериментальные значения, сплошная линия – расчет.

Скачать (62KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость Ubr(T).

Скачать (62KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024