[신뢰성] HCI(Hot Carrier Injection) Mechanism

 반도체 소자에서 대표적인 신뢰성 열화중 HCI (Hot Carrier Injection)에 대해서 공부.

• HCI란?
   높은 에너지(Drain 전압에 의한)를 받은 electron/hole에 의해 Impact ionization이 발생 하게되고, 캐리어 충돌에 의해 NMOS기준으로 Hot electron에 의해 발생한 electron이 Silicon 격자 충돌에 의해 e/h pair가 생성되어 electron은 Oxide 내부에 Trap 되며 hole은 substrate electrode로 빠져나가게 되며 이때의 전류를 Isub이라고 한다.
  
  
• HCI 측정 방법
  위에 얘기했던대로 HCI에 의해 발생한 Isub 전류 센싱을 통해 HCI 를 간접적으로 측정할 수 있다.
  
  
• HCI 열화에 따른 현상
   Drain의 위치와 가까운 Gate Oxide의 Quality가 낮아지고 Cox (Gate Oxide Capacitance) 값이 낮아진다. 이에 따라 Gate 절연막 유전율이 열화(하향)된다. --> HCI (stress)에 의해 Cox가 낮아지고 Vth가 높아진다. 또한, Cox 변화에 따라 SS 특성 열화된다(하기 수식 참고).

Vth 공식: Cox와 Vth의 상관관계

Ci (Oxide Capacitance)와 SS의 상관관계

HCI 열화 모식도

• HCI 열화 방지 방법
   LDD (lightly Doped Drain)를 통해 Lateral Field를 낮추어 Impact Ionization 발생 확률을 낮춘다.
• 추가 학습 내용
  - Trap Mechanism (HCI Hot electron에 의한), Dangling Bond, Hydrogen(Si-H)
  - Isub이 Vg -> VD/2 ~ VDD 영역에서 감소하는 이유

*Reference

- https://m.blog.naver.com/balance-five/222145781118

Threshold Voltage(문턱 전압)의 정의와 영향을 미치는 요인

- https://engineering.purdue.edu/~ee650/downloads/Lecture28.pdf

- https://en.wikipedia.org/wiki/Hot-carrier_injection