Впервые проведено моделирование деградации, вызываемой горячими носителями (ДВГН), в непланарных полевых транзисторах с каналом в форме плавника (FinFET). Для этого использована физическая модель, которая рассматривает одночастичные и многочастичные процессы разрыва связей кремний−водород, а также их суперпозиции. Для вычисления темпа диссоциации связей используются функции распределения носителей по энергии, которые находят при решении транспортного уравнения Больцмана. С помощью анализа ДВГН показано, что деградация локализована в части канала, примыкающей к стоку транзистора, в районе верхней стенки канала. Хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными деградационными характеристиками было получено с теми же параметрами модели, которые применялись при воспроизведении ДВГН в планарных короткоканальных транзисторах, а также в мощных полупроводниковых приборах.

We extend our framework for hot-carrier degradation (HCD) modeling by covering the impact of self-heating (SH) on HCD. This impact is threefold: (i) perturbation of carrier transport, (ii) acceleration of the thermal contribution to the Si-H bond breakage process, and (iii) and shortening vibrational lifetime of the bond resulting in reducing the multiple-carrier mechanism rate. We validate the framework against HCD data acquired on n-channel fin field-effect-transistors (FETs) and pchannel nanowire (NW) FETs under various stress conditions and analyze the importance of each of the aforementioned components of the SH impact on HCD. This analysis shows that in n-channel devices SH depopulates the high energetical fraction of the carrier distribution, while in p-channel transistors SH slightly shifts the carrier energy distribution towards higher energy. Thus, in nFinFETs the impact of SH on the carrier transport and enhancement of the thermal component of bond rupture compensate each other (vibrational lifetime shortening has a weak impact on HCD), thereby leading to slight inhibition of HCD by SH. To the contrary, in pNWFETs these two factors both enhance HCD (while the contribution of the vibrational lifetime dependence on temperature is again small) and thus SH accelerates HCD. Our modeling framework, therefore, can explain why in n-channel FETs SH slightly inhibits HCD, while in p-channel devices HCD is accelerated by SH.

We simulate relative changes of the saturation drain current during hot-carrier degradation (HCD) in dynamicallydoped (D2) and "traditional" planar complementary metal-oxidesemiconductor (CMOS) field-effect-transistors (FETs) of gate lengths and doping profiles. To achieve this goal, we use our physics-based model for HCD validated against experimental data from a broad range of transistor architectures (which include but are not limited to planar, fin, and nanowire FETs). These simulations show that at lower gate voltages of Vgs ≤ 0.9 V (i.e. covering the operating regime) D2 FETs have superior HC reliability compared to their CMOS counterparts, while at Vgs 1.0 V the CMOS FET begins to be more reliable (at shorter stress times, however, the D2 device is still superior). Under these low stress voltages, HCD is governed by the multiplecarrier process of bond dissociation controlled by the carrier concentration (rather than energy), which has different Vgs dependences in D2 and CMOS FETs. Based on conducted calculations, we suggest that, in addition to better performance and scalability compared to the CMOS counterpart, the D2 FET has also superior hot-carrier reliability.

No abstract

Впервые выполнено детальное моделирование деградации, вызываемой горячими носителями, основанное на самосогласованном рассмотрении транспорта носителей и генерации дефектов на границе раздела SiO 2 /Si. Данная модель апробирована с использованием деградационных данных, полученных в декананометровых n-канальных полевых транзисторах. Показано, что взаимное влияние двух указанных аспектов велико и их независимое моделирование влечет серьезные количественные ошибки. При вычислении функций распределения носителей по энергии учитывалась реальная зонная структура кремния и такие механизмы, как ударная ионизация, рассеяние на ионизованной примеси, а также электрон-фононные и электрон-электронные взаимодействия. На микроскопическом уровне генерация дефектов рассматривалась как су-перпозиция одночастичного и многочастичного механизмов разрыва связи Si−H. Очень важным прикладным аспектом данной работы является тот факт, что наша модель позволяет надежно оценивать ресурс работы транзистора, подверженного воздействию горячих носителей. ВведениеНа границе раздела диэлектрик/кремний полевого МДП транзистора (МДП -металл−диэлектрик−полу-проводник) всегда присутствуют поверхностные состоя-ния, которые могут формировать заряженные дефекты. Присутствие подобных дефектов приводит к локальным искажениям электростатики прибора, что проявляется, например, в сдвиге порогового напряжения полевого транзистора. Они также влияют на перенос электронов в приграничном индуцированном канале.Поверхностная концентрация ловушек (N it ) может меняться со временем в зависимости от условий ис-пользования транзистора. При этом эволюция плотно-сти N it определяет эволюцию (деградацию) характе-ристик прибора. Обычно в экспериментах по дегра-дации используются более высокие (по сравнению с рабочими) напряжения и температуры. Основная при-кладная задача заключается в прогнозировании ресурса прибора именно в рабочем режиме. Проблема состо-ит в том, что при переходе от " жестких" условий воздействия на прибор к более " мягким" рабочим на-пряжениям физические механизмы, ответственные за разрушение транзистора, могут полностью изменить-ся [1-3], тем самым делая взятую за основу фе-номенологическую/эмпирическую модель несостоятель-ной. Поэтому для адекватного моделирования процес-сов деградации необходимо понимание и точное описа-ние физических механизмов, соответствующих реально-му режиму.В ежегодно публикуемых прогнозах развития элек-тронной промышленности ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) задача надежности функци-онирования полупроводниковых приборов декларирует-ся как проблема первостепенной важности [4]. При этом основной режим повреждения транзисторов новых поко-лений связан с деградацией подзатворного диэлектрика, вызываемой горячими носителями. Это подтверждается, скажем, недавними исследованиями компании Intel [5,6].Настоящая работа посвящена подробному физическо-му моделированию процессов формирования интерфейс-ных ловушек в МДП структуре, выполняемому сов-местно с моделированием изменений кинетики горячих электронов в тако...