jh5[建筑]国立成功大学微电子工程研究所硕士论文

國 立 成 功 大 學 微 電 子 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 n 型通道橫向擴散金氧半場效應電晶體之熱載子可靠度研究 Hot Carrier Reliability of n-channel Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (LDMOS) 研 究 生：林洸萬 Student: Kuang-Wan Lin 指導教授：陳志方 Advisor: Jone-Fang Chen Institute of Microelectronics Department of Electrical Engineering National Cheng Kung University Tainan, Taiwan, R.O.C Thesis for Master of Science June 18th 2004 中華民國 九十三年六月十八日 I n 型通道橫向擴散金氧半場效應電晶體之熱載子可靠度研究林洸萬*，陳志方副教授* 國立成功大學微電子所 中文摘要 本篇論文主要目的是對 n型通道橫向擴散金氧半場效應電晶體之熱載子可靠度，做一個初步的研究。藉由與業界合作的關係，取得0.5µm製程技術的元件，探討高壓元件與傳統低壓元件熱載子效應以及其可靠度的不同。 隨著時代的演進，微電子晶片輕、薄、短、小的訴求與日俱增。由於製程技術的不斷推陳出新 ，邏輯電路晶片的密度正以驚人的速度逐漸向上攀升。然而有一部分的需求，則希望可以將高電壓的元件也整合進入一般晶片內，如此一來，晶片組的面積則可以獲得更進一步的縮減，LDMOS於是應運而生。傳統的 MOSFET 熱載子可靠度的探討，已經具有相當多的文獻以及資料可以探討，整個可靠度模型的建置也已經趨於成熟。然而，對於這種高壓元件的熱載子可靠度，則較少學者加以探討，職事是故，本篇論文將對於此種高壓元件做一個初步熱載子效應的研究與探討。 II 本文架構是由傳統低壓 MOSFET 的可靠度出發，藉由這些相當成熟的模型為基礎，進一步分析高壓元件的行為。本篇論文可以分為五個章節 ：第一章對於 LDMOS 電晶體以及熱載子效應的基本資料做一個介紹。第二章則是介紹低壓元件的熱載子可靠度是如何加以建立。從如何量化熱載子效應的嚴重程度，stress 方法論的介紹，到最後進行加速測試的方式都有簡單的介紹。 第三章則是探討在高壓元件中有哪些和低壓元件不同的行為。 經過實驗發現，在低壓元件所沒有的克爾克效應(Kirk Effect)會在此種LDMOS 電晶體當中浮現，這導致過去認為的退化程度與基板電流(substrate current)大小呈現正比關係在這個元件中遭到打破。此外，此種 LDMOS電晶體遭到 stress 後，元件退化的速度會在一定的時間之後飽和，這也和過去非輕摻雜汲極(non-LDD)MOSFET 所觀察到的退化狀況有很大的出入。另外，最令人訝異的是，此種 LDMOS電晶體在經過靜置後，元件退化會下降(relaxation)，這個現象意味著元件特性會因為休息而恢復 。如此一來，對於過去所有熱載子可靠度的方法都必須經過一番修正後，才能再度使用。這些現象在論文中都有相當詳細的探討。 第四章則是針對第三章所發現異於低壓 MOSFET 的現象所找到的元件生命期模型(lifetime model)做一個探討，此外也由於這麼多和III 低壓元件不同的退化行為，所以我們也提出了一些關於高壓元件熱載子可靠度方法論的一些修正。第五章則是做一個總結，並且提出這篇論文一些尚未完成的方向以便後來繼續做深入的探討以及研究。 * ：學生 * ：指導教授 IV Hot Carrier Reliability of n-channel Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (LDMOS) KuangWan Lin*, Jone Fang Chen* Cheng Kung University, Tainan, Taiwan Abstract The hot carrier reliability of conventional MOSFETs is established completely by other authors. However, fewer authors study the hot carrier reliability of LDMOS transistors. The thesis will study the hot carrier reliability of n-channel LDMOS transistors. I use the method based on the conventional MOSFETs to investigate LDMOS transistors. I discover that three main differences between conventional MOSFETs and LDMOS transistors: 1. Kirk effect, 2. degradation saturation, 3. relaxation phenomenon. Because of the difference, the Isub vs. will not be the same as the conventional MOSFETs. *: The student *: The advisor V Acknowledgements 依稀還記得，半夜十二點，在實驗室等實驗結果，絞盡腦汁的思考下一個實驗該進行什麼，如今，隨著時間的流逝，實驗結果逐漸的出現，論文也終於大功告成。多麼令人難忘的一個記憶！一切的辛苦，總算有了回報，一切都是點滴在心頭。 回想過去，面臨退伍大關，正在煩惱自己人生的下一步時，也不知為何，突然有一股衝勁，想要轉換跑道，並且完成碩士學業。很幸運的，經過一番競爭之後，進入了微電子所，並且跟隨於陳志方老師開始進行碩士班的研究生涯。在這樣辛苦的研究生涯中，支撐我繼續下去的，當然是我的家人，無論是實驗有了新的進展而歡心雀躍，或是碰到了障礙而愁眉不展，家人都是我最好的支柱，我首先，要先感謝我的父母親及妹妹以及其他的家人。 對於一個原先還是半導體領域的門外漢，能完成這樣的論文，門檻是非常高的，若非陳志方老師的教導，我想，至今這篇論文恐怕還不可能問世。從老師的身上，我學到了太多，尤其是實驗的方法、理論的基礎、做學問的態度，還有好多好多，都不是一語可以道盡的。所以我要感謝陳老師在這兩年的教導，讓我可以順利完成學業。 實驗室的生活，是和每一位實驗室的夥伴，經過多少喜怒哀樂所VI 交織出來的一篇樂章。能跟大家在一起完成碩士學位，是我一生難忘的回憶。子睿、吉智、洪洪、松延、淙凱、宜德、威呈、文樺、玟璋、碩賢、軍鑫，還有其他的夥伴，謝謝你們。另外，我也要一並感謝我的室友 少方，感謝你撥空幫我看過一部份的論文語法，還有好多好多人，都是我要感謝的人，成大電機的前輩陳之藩寫道： 要感謝的人太多了，那就謝天吧！ 。我想，這就是我現在的心情。 又到了鳳凰花開的季節，那淡淡的離愁和往年一樣，充斥在每個校園裡面。和以往不同的是，今年我從觀眾一躍成為了主角。即將收起行囊從學校進入社會展開另一段屬於我的歷練，心中真是百感交集，希望在未來的日子，我可以盡情的開創屬於我未來的一片天！ VII Contents Abstract I English abstract IV Acknowledgements V Contents VII Table Captions IX Figure Captions X Chapter1 Introduction 1.1 The Basics of LDMOS transistor 1 1.2 A Quick Review on Hot Carrier Reliability of Low Voltage devices 2 1.3 About the Thesis 5 Chapter2 Hot Carrier Reliability of Low Voltage MOSFET 2.1 Device Parameters that are Impact by Hot-Carrier Damage 17 2.2 Stress methodology 17 2.3 Lifetime model 19 Chapter3 Degradation behavior of LDMOS transistor 3.1 Kirk Effect 28 3.2 Degradation Saturation 30 3.3 Device Relaxation 31 VIII Chapter4 Hot Carrier Reliability of LDMOS transistor 4.1 Lifetime model of LDMOS transistor 76 4.2 The correction of stress methodology for High Voltage Devices 77 Chapter5 Conclusion and Future Work 5.1 Conclusion 88 5.2 Future Work 89 IX Table Captions Table 1-1 The Categories of LDMOS in thesis. Table 3-1 The definition of all parameters. X Figure Captions Fig. 1-1 The structure of LDMOS, Asymmetric (a), and Symmetric (b) Fig. 1-2 The generation of hot carrier. Fig. 1-3 Lateral electric field versus distance between the source and drain of a 0.25-µm n-MOS transistor with 2.0V applied to the drain, showing the high field region at the drain junction. Fig. 1-