The Reliability Analysis for MOSFET devices via Percolation Models

Abstract

MOSFET을 구성하는 부분 중의 하나인 게이트 옥사이드의 고장은 집적회로(IC)의 수명을 결정짓는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 또한 게이트 옥사이드의 고장은 MOSFET의 본질적인 고장 원인 중에서 가장 주요한 원인이다. 근래에 반도체 산업에서 사용되어지는 게이트 옥사이드의 두께는 2 미만으로 그 두께와 면적이 계속해서 작아지고 있는 상황이다. 이 게이트 옥사이드의 신뢰성을 연구하기 위해서는 물리적인 고장 모델과 적절한 가속수명시험설계가 필요하고 그에 해당하는 정확한 모수들이 요구되어진다. 이 연구에서는 MOSFET내의 게이트 옥사이드의 고장 메커니즘에 대해서 간단하게 정리하였다. 동일한 전류 스트레스나 전압 스트레스 하에서 측정된 절연체 층의 수명인 Time dependent dielectric breakdown(TDDB)은 옥사이드 층 내에 전하량을 갖는 결함들이 생성됨으로써 얻어지게 된다. 이런 TDDB에 대한 옥사이드 전기장의 영향을 이해하기 위해서 대표적인 두 가지 옥사이드 전기장 의존 TDDB 모형을 정리하였다. 또한 게이트 옥사이드의 고장 메커니즘을 모형화하고 고장분포를 설명하기 위해서 제안된 세 가지 스미기(percolation) 모형에 대해서 정리하였다. 지속적으로 디바이스의 크기가 작아지게 되면서 극박의 게이트 옥사이드에 대한 TDDB는 더욱 진보된 디바이스에서 중요한 신뢰성 문제가 되어오고 있는 상황에서 더 작은 면적을 갖는 게이트 옥사이드의 임계결함밀도를 정확히 예측하기위한 방법을 제시하기 위해 스미기 이론과 프렉털 구조에 대하여 설명하였다. 이들을 이용하여 기존의 방법보다 더 정확한 예측결과를 제공하는 새로운 방법을 실험을 통하여 증명하였다.; Gate oxide breakdown is a key mechanism limiting IC lifetime. Gate oxide breakdown is also a main cause of intrinsic breakdown of MOSFET. Nowadays, the thickness of gate oxide is smaller than 2 in semiconductor industry. To analyze reliability of gate oxide, physical based breakdown models, adequate accelerated lifetime test structures and accurate parameters are required. In this thesis, the breakdown mechanism of gate oxide in MOSFET is summarized. Time dependent dielectric breakdown(TDDB) results from the creation of charge traps inside the oxide. To understand oxide field effects, two main oxide field dependent TDDB models are reviewed. To model oxide breakdown mechanism and explain its failure distribution, three well-known percolation models are summarized. With the scaling down of device dimensions, TDDB of thin gate oxides is becoming a important reliability issue in advanced devices. To predict the critical defect density of area scaled oxide, percolation theory and fractal structures are reviewed. For more accurate lifetime projection, new prediction method based on fractal structure is suggested.