トランジスタ劣化原理の解明とモデル化

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12J01925
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 馬 晨月 広島大学, 先端物質科学研究科, 特別研究員(DC2)
• Keywords: 負バイアス温度不安定性 / 欠陥発生 / キャリアトラップ / HiSIMモデル / 回路シミュレーション

Research Abstract

本年度はトランジスタ劣化モデルの研究をさらに進める目的で以下のとおり実施した。
1.負バイアス温度不安定性(NBTI)効果は、半導体デバイスの中で最も重要な信頼性の問題です。NBTIの効果は、トランジスクの欠陥とキャリアトラップを大量に誘導しています。このような欠陥にトラップされたキャリアは回線速度と寿命が低下します。そのため、回路設計のための正確な予測モデルを開発する必要があります。多くの文献と測定結果を調査することによって、負バイアス温度不安定性(NBTI)の物理的原因は明確に調べられた。発達したNBTIのモデルとは異なって、水素拡散がNBTI劣化の唯一の支配ではないと証明された。インタフェース欠陥の生成とキャリアトラップはNBTI劣化の重要なメカニズムと考えられた。
2.以前のNBTI劣化予測モデルは、トランジスタ劣化は水素拡散やキャリアトラップのメカニズムのいずれかによって誘導されることを想定した。しかし、水素拡散とホールトラップの理論の両方が高周波ストレス下で、10年間運転後の劣化を予測する際にそれらの制限を示しています。以前の公開された文献中は、モデルのパラメータは抽出される時、測定したデータを経験的にフィッティングしました。しかし、物理的説明は間違っています。私の研究で、物理NBTI劣化のモデルが開発されました。欠陥発生とキャリアトラップ効果の両方が含まれています。物理ベースの方程式を解くことにより、モデル結果と測定値を比較すると、良い一致が得られた。
3.NBTIのモデルをHiSIMに組み込むことで、正確なDCおよびACシミュレーション結果が得られる。また、さまざまなストレス条件下10年のDC劣化プロセスは予測されています。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

現在までに劣化モデルの研究ついては、当初予定していた文献調査とモデルの開発は、おおむね順調に進展している。数多く公開された結果、教授の貴重なアドバイスだけでなく、実際の測定結果の調査により、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

1.現在のほとんどのNBTI劣化の研究は理想的な実験条件の下で行われる。今後の課題としては、実際の回路動作条件下でのトランジスタの劣化が考えられます。
2.測定および理論的研究は、n-MOSFETとp-MOSFETに劣化メカニズムの本質的な違いを調査するために実施される。
3.10年以上の運転中に実際の回路の性能劣化を予測するための迅速かつ正確なシミュレーション方法を開発する。

Research Products

• [Presentation] Development of Unified Predictive NBTI Model and its Application for Circuit Aging Simulation (2013)
  • Author(s): C. Ma, H. J. Mattausch, M. Miyake, T. Iizuka, K. Matsuzawa, S. Yamaguchi, T. Hoshida, A. Kinoshita, T. Arakawa, J. He, and M. Miura-Mattausch
  • Organizer: IWCM' 2013
  • Place of Presentation: YOKOHAMA, JAPAN
  • Year and Date: 2013-01-22
• [Presentation] Modeling of Degradation caused by Channel Hot Carrier and Negative Bias Temperature Instability Effects in p-MOSFETs (2012)
  • Author(s): C. Ma, H. J. Mattausch, M. Miyake, T. Iizuka, K. Matsuzawa, S. Yamaguchi, T. Hoshida, A. Kinoshita, T. Arakawa, J. He, and M. Miura-Mattausch
  • Organizer: ICSICT 2012
  • Place of Presentation: Xi'an China
  • Year and Date: 2012-10-30
• [Presentation] Development of Predictive Model and Circuit Simulation Methodology for Negative Bias Temperature Instability Effects (2012)
  • Author(s): C. Ma, H. J. Mattausch, M. Miyake, T. Iizuka, K. Matsuzawa, S. Yamaguchi, T. Hoshida, A. Kinoshita, T. Arakawa, J. He, and M. Miura-Mattausch
  • Organizer: SISPAD 2012
  • Place of Presentation: Denver, CO, USA
  • Year and Date: 2012-09-05