[평가 및 분석] "NBTI, PBTI, HCI에 대해서 설명해보세요"

 

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[질문 1]. NBTI, PBTI, HCI에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [NBTI, PBTI, HCI, 열화, 신뢰, stress]

NBTI는 Negative Bias Thermal Instability의 약어로 게이트에 Negative bias를 인가했을 때, 소자가 on 상태가 되는 PMOSFET의 열화현상을 말합니다. PBTI는 반대로 Positive bias를 인가했을 때, NMOSFET의 열화현상을 의미하고 HCI는 Hot Carrier Injection으로 소자 dimension이 작아짐에 따라 강해진 전계에 의해 가속화된 캐리어에 의한 열화 현상입니다. 보통 열화현상은 물리적 현상에 의해서 원하는 design 공정, 의도된 performance가 나오지 않고 degradation 열화 되는 현상을 말합니다. 보통 반도체 공정을 통해 제작된 Chip에서 비이상적인 공정특성을 Stress Test를 통해 분석합니다. 이러한 stress가 영향을 주는 물리적 현상에는 NBTI, PBTI, HCI가 있습니다.

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[꼬리 1-1]. 어떤 물리적 현상으로 소자특성이 어떻게 변하죠.

NBTI의 경우 PMOS 채널에 형성된 정공들이 Gate oxide에 trap 되면서 threshold voltage의 증가를 초래합니다. PBTI의 경우 NMOS의 채널에 형성된 전자들이 Gate oxide에 trap 되면서 threshold voltage의 증가를 야기합니다. HCI의 경우 Drain과 Source 사이에 강한 전계에 의해 가속된 hot carrier 들이 충돌하여 생성된 EHP(Eelectron-hole pari)이 gate oxide에 trap 되거나 혹은 hot carrier가 직접 gate oxide에 trap 되어 threshold voltage 를 증가시키는 현상입니다. 정리하자면, NBTI, PBTI, HCI 모두 캐리어가 Gate oxide에 trap되면서 문턱전압을 증가시키는 현상을 말합니다.

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[꼬리 1-2]. NBTI 스트레스는 어떻게 측정하는지에 대해서 설명해보세요.

NBTI 측정방법은 PMOS에 음의 게이트전압을 인가하면서 시간에 따라 스트레스를 주는데 그에 따른 드레인 전류의 감소량을 측정하면 됩니다. GIDL 전류 역시 NBTI의 두드러지는 특성이기 때문에 NBTI 스트레스를 인가 후 어느 정도 GIDL 전류가 증가했는지 측정을 통해 알 수 있습니다. 결과적으로 NBTI 스트레스가 인가됨에 따라 Subthreshold region에서 drain current가 증가하고, 문턱전압이 높아짐에 따라 saturation current는 감소하여 소자 performance를 저하시키는 이슈를 측정하면서 소자의 신뢰성을 산출할 수 있습니다.

[세부설명] "Negative Bias Thermal Instability, NBTI"
MOSFET의 크기가 작아지면서 다양한 열화 현상으로 신뢰성의 문제가 발생하고 있습니다. 특히 CMOS 인터버의 경우, PMOS가 'high (ON)'일 때, 음의 게이트 전압이 인가됩니다. 음의전압이 인가되면서 소자 구동으로 인해 소자의 열이 발생하게 되고 그에 따라 문턱전압도 증가하게 됩니다. 이는 위에서 답변한 캐리어가 gate oxide에 trap돼서 발생하는 현상입니다. 소자 구동 중 문턱전압이 향상되면, 그만큼 드레인 전류가 감소하는 현상이 발생합니다. 또한 NBTI, PBTI의 경우 Subthreshold region에서 누설전류를 야기해 GIDL 전류가 증가하는 현상이 발생하게 됩니다. 
 정리하자면 NBTI는 게이트에 음의전압이 인가되고, 게이트 산화막에 양전하가 interface trap이 발생하게 되어 채널 형성을 방해하고 더 높은 게이트 전압이 요구되기 때문에 문턱전압이 증가하게 됩니다. 그 결과 드레인 전류의 절대값은 낮아지는 현상으로 소자 performance가 저하되어 신뢰성 이슈가 발생합니다. 또한 Gate와 Drain 사이의 에너지 밴드는 게이트 전압에 의해 휘어지게 되면서 드레인방향으로 터널링이 발생하여 GIDL 전류가 증가하게 됩니다. 그로인해, subthreshold swing (SS) 특성이 감소하게 됩니다. 

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Hot Carrier Injection, HCI는 반도체 소자의 대표적인 Short Channel Effect, SCE로 반도체 소자 교육에서 더욱 자세히 다루도록 하겠습니다.교육생 여러분들은 교관처럼 NBTI에 대한 질문에 MBTI 성격유형검사를 대답하지 않길 바라겠습니다.
이상. 교육 끝.