This research demonstrates a method for curing the gate dielectric of a MOSFET using Joule heat (JH) generated by the forward bias current of the PN-junction in the drain-to-body (D-B) and source-to-body (S-B). The curing method was applied to repair hot-carrier induced damage in the MOSFET.
In the first part, the short-channel effects (SCEs) resulting from the increased lateral electric will be discussed. The MOSFET has been continuously scaled to achieve advantages such as increased device speed and packing density. However, the SCEs have become more serious due to aggressive channel length (LG) scaling. In the second part, curing methods for restore the degraded gate dielectric of MOSFET are studied. As a conventional method, forming gas annealing (FGA) has been widely used in the device fabrication processes. As a local annealing method, Joule heat, which is created by applying voltage between dual gate pads, has been used as an alternative. To overcome the weakness in the previous Joule heat method, a novel curing method with Joule heat generated by forward junction current is proposed. In the third part, the curing process using Joule heat is verified by comparing of device parameters and LFN characterization method. After occurring of hot-carrier injection (HCI), the gate dielectric of the device is degraded by the injected hot-carrier. By observing the device parameters and the extracted average trap density, the curing effect is quantitatively verified. In the last section, the difference curing effect of the JH at S-B and D-B junction is accurately quantify by charge pumping characterization method.
본 연구는 PN 접합의 정방향 전류를 이용하여 모스펫의 게이트 산화막 손상을 치료하는 것에 관한 것이다. 해당 치료 방법은 드레인과 바디, 또는 소스와 바디 접합 간의 정방향 전류에 의해 발생하는 줄 열을 이용하는 방식이다. 이 치료 방법이 모스펫의 핫-캐리어 손상을 치료하는 데 적용되었다.
단채널 효과는 소자 크기가 줄어들면서 전기장의 세기가 커짐에 따라 발생하는 문제이다. 모스펫은 그 크기가 점점 줄어들면서 속도가 발라지고 집적도가 높아지는 장점을 가지게 되었다. 하지만, 단채널 효과는 채널 길이가 급격하게 줄어들게 되면서 소자 동작 특성에 더욱 악영향을 끼치게 되었다.
게이트 산화막의 손상을 치료하기 위한 방법들로서 대표적으로 forming gas annealing을 들 수 있다. 또는 국부적인 손상 치료 방법으로서, 게이트-게이트 간에 전류를 흘려 줄 열을 발생시킴으로써 산화막의 손상을 치료하는 방법이 존재한다. 하지만 이러한 방법들은 추가적인 발열 장비나 공정 과정이 필요하기 때문에 비용적인 면에서, 집적도 면에서 손해를 보게된다. 이러한 단점들을 극복하기 위해, PN 접합의 정방향 전류를 이용하여 줄열을 발생시켜 게이트 산화막의 손상을 치료하는 방법이 제안되고 검증된다.
소자의 특성 파라미터 분석과 low-frequency noise 분석 방법을 통해 그 효과가 검증된다. 또한 나아가서, 드레인과 바디, 소스와 바디 접합 간의 치료 효과를 비교하기 위해 charge pumping 분석 방법을 활용해 두 치료 방법 간의 차이를 분석한다.