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Investigation of oxide thickness dependence of Fowler-Nordheim parameter B

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Material Information

Title:
Investigation of oxide thickness dependence of Fowler-Nordheim parameter B
Physical Description:
Book
Language:
English
Creator:
Bharadwaj, Shashank
Publisher:
University of South Florida
Place of Publication:
Tampa, Fla.
Publication Date:

Subjects

Subjects / Keywords:
I-V characteristics
C-V characteristics
MVM
tunneling
scaling
Dissertations, Academic -- Electrical Engineering -- Masters -- USF   ( lcsh )
Genre:
government publication (state, provincial, terriorial, dependent)   ( marcgt )
bibliography   ( marcgt )
theses   ( marcgt )
non-fiction   ( marcgt )

Notes

Summary:
ABSTRACT: During recent years the thickness of the gate oxide has been reduced considerably. The progressive miniaturization of devices has caused several phenomena to emerge such as quasi-breakdown, direct tunneling and stress induced leakage currents. Such phenomena significantly modify the performance of the scaled-down MOSFETs. As a part of this research work, an effort has been made to study the performance and characteristics of the thin Gate oxide for MOSFETs and Tunnel Oxide for Floating Gate (FG) MOS devices. The exponential dependence of tunnel current on the oxide-electric field causes some critical problems in process control. A very good process control is therefore required. This can be achieved by finding out the exact value of F-N tunneling parameter. This research work also is an effort of finding an accurate value for parameter B and its dependence on the oxide thickness as the device are scaled down to a level where the probability of Direct Tunneling mechanism gains more prominence. A fully automated Low Current Measurement workstation with noise tolerance as low as 10 -15 A was set up as a part of this research. C-V and I-V curves were analyzed to extract, determine and investigate the oxide thickness dependence of F-N parameter B. For oxide thickness in the range10~13 nm, the parameter B ranged between 260 and 267. Thus it can be said that it is not sensitive to the change in oxide thickness in this range. However it was noticed that for thickness around 7nm wide variety of results were obtained for the Fowler-Nordheim parameter B (B ranged from 260 to 454). This can be attributed to the enhancement in the leakage current due to the direct tunneling. Hence to have tight control over VT for a NVM, new algorithms need to be developed for even better process control for oxide thickness in the range of 7 nm and below.
Thesis:
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2004.
Bibliography:
Includes bibliographical references.
System Details:
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
System Details:
Mode of access: World Wide Web.
Statement of Responsibility:
by Shashank Bharadwaj.
General Note:
Title from PDF of title page.
General Note:
Document formatted into pages; contains 101 pages.

Record Information

Source Institution:
University of South Florida Library
Holding Location:
University of South Florida
Rights Management:
All applicable rights reserved by the source institution and holding location.
Resource Identifier:
aleph - 001469349
oclc - 55520286
notis - AJR1103
usfldc doi - E14-SFE0000251
usfldc handle - e14.251
System ID:
SFS0024946:00001


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1 100
Bharadwaj, Shashank.
0 245
Investigation of oxide thickness dependence of Fowler-Nordheim parameter B
h [electronic resource] /
by Shashank Bharadwaj.
260
[Tampa, Fla.] :
University of South Florida,
2004.
502
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2004.
504
Includes bibliographical references.
516
Text (Electronic thesis) in PDF format.
538
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
Mode of access: World Wide Web.
500
Title from PDF of title page.
Document formatted into pages; contains 101 pages.
520
ABSTRACT: During recent years the thickness of the gate oxide has been reduced considerably. The progressive miniaturization of devices has caused several phenomena to emerge such as quasi-breakdown, direct tunneling and stress induced leakage currents. Such phenomena significantly modify the performance of the scaled-down MOSFETs. As a part of this research work, an effort has been made to study the performance and characteristics of the thin Gate oxide for MOSFETs and Tunnel Oxide for Floating Gate (FG) MOS devices. The exponential dependence of tunnel current on the oxide-electric field causes some critical problems in process control. A very good process control is therefore required. This can be achieved by finding out the exact value of F-N tunneling parameter. This research work also is an effort of finding an accurate value for parameter B and its dependence on the oxide thickness as the device are scaled down to a level where the probability of Direct Tunneling mechanism gains more prominence. A fully automated Low Current Measurement workstation with noise tolerance as low as 10 -15 A was set up as a part of this research. C-V and I-V curves were analyzed to extract, determine and investigate the oxide thickness dependence of F-N parameter B. For oxide thickness in the range10~13 nm, the parameter B ranged between 260 and 267. Thus it can be said that it is not sensitive to the change in oxide thickness in this range. However it was noticed that for thickness around 7nm wide variety of results were obtained for the Fowler-Nordheim parameter B (B ranged from 260 to 454). This can be attributed to the enhancement in the leakage current due to the direct tunneling. Hence to have tight control over VT for a NVM, new algorithms need to be developed for even better process control for oxide thickness in the range of 7 nm and below.
590
Adviser: Chiou, Yun Lee
653
I-V characteristics.
C-V characteristics.
MVM.
tunneling.
scaling.
690
Dissertations, Academic
z USF
x Electrical Engineering
Masters.
773
t USF Electronic Theses and Dissertations.
4 856
u http://digital.lib.usf.edu/?e14.251



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I n v e s t i g a t i o n O f O x i d e T h i c k n e s s D e p e n d e n c e O f F o w l e r N o r d h e i m P a r a m e t e r B b y S h a s h a n k B h a r a d w a j A t h e s i s s u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f M a s t e r o f S c i e n c e i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a M a j o r P r o f e s s o r : D r Y u n L e e C h i o u P h D D r W i l f r i d o A M o r e n o P h D D r C h r i s t o s F e r e k i d e s P h D D a t e o f A p p r o v a l : M a r c h 2 5 2 0 0 4 K e y w o r d s : i v c h a r a c t e r i s t i c s c v c h a r a c t e r i s t i c s n v m t u n n e l i n g s c a l i n g C o p y r i g h t 2 0 0 4 S h a s h a n k B h a r a d w a j

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A C K N O W L E D G E M E N T I o w e m y g r a t e f u l a c k n o w l e d g e m e n t t o D r C h i o u f o r h i s i n v a l u a b l e g u i d a n c e a n d c o n s t a n t e n c o u r a g e m e n t o v e r t h e c o u r s e o f t i m e s p e n t i n t h i s r e s e a r c h e f f o r t F i n a l l y h e p o u r e d e v e r y i n c h o f t h e r e p o r t w i t h p a i n s t a k i n g a t t e n t i o n t o d e t a i l a n d o f f e r e d e x t r e m e l y u s e f u l c o m m e n t s M y s p e c i a l t h a n k s a r e d u e t o P r o f e s s o r F e r e k i d e s a n d P r o f e s s o r M o r e n o f o r s e r v i n g o n m y c o m m i t t e e I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k M e h d i M a n s o u r i a n d S u r e n d r a f o r a l l t h e i r h e l p d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h w o r k A s p e c i a l t h a n k s t o S h a r p L a b o r a t o r i e s o f A m e r i c a I n c f o r p r o v i d i n g o u r l a b w i t h t h e w a f e r s w i t h o u t w h i c h t h i s r e s e a r c h w o r k w o u l d n o t h a v e b e e n p o s s i b l e L a s t l y I w o u l d l i k e t o p u t o n r e c o r d m y a p p r e c i a t i o n f o r t h e p a t i e n c e e n c o u r a g e m e n t a n d i n d u l g e n c e o f m y p a r e n t s m y s i s t e r a n d m y w i f e

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i T a b l e o f C o n t e n t s L i s t o f T a b l e s i v L i s t o f F i g u r e s v A b s t r a c t v i i i C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n 1 1 1 G a t e D i e l e c t r i c s 2 1 2 H i g h K D i e l e c t r i c 4 1 3 F u t u r e T r e n d s i n S i l i c o n T e c h n o l o g y a n d P u r p o s e o f t h e T h e s i s 5 C h a p t e r 2 M O S D e v i c e s 8 2 1 I d e a l M O S D i o d e 8 2 1 1 T h r e s h o l d V o l t a g e 1 2 2 1 2 M O S C a p a c i t o r u n d e r B i a s 1 3 2 1 2 1 S u r f a c e A c c u m u l a t i o n 1 5 2 1 2 2 S u r f a c e D e p l e t i o n ( VT < VG B < VF B) 1 6 2 1 2 3 S u r f a c e I n v e r s i o n ( VT > VG B ) 1 7 2 1 3 N o n I d e a l M O S C a p a c i t o r 1 8 2 2 M O S F E T 2 2 2 2 1 B a s i c S t r u c t u r e a n d P r i n c i p l e o f O p e r a t i o n o f t h e M O S F E T 2 2 2 2 2 C u r r e n t V o l t a g e C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M O S F E T 2 4 2 2 3 I m p o r t a n c e o f M O S F E T 2 6 2 3 N o n V o l a t i l e M e m o r y ( N V M ) 2 7 2 3 1 S t r u c t u r e o f a T y p i c a l F l o a t i n g G a t e D e v i c e 2 8 2 3 2 O p e r a t i o n C o n d i t i o n s 2 8 2 3 2 1 W r i t e O p e r a t i o n 2 9 2 3 2 2 E r a s e O p e r a t i o n 3 0 2 4 M O S D e v i c e S c a l i n g 3 1 C h a p t e r 3 C h a r a c t e r i z a t i o n o f T h i n G a t e O x i d e 3 4 3 1 I n t r o d u c t i o n 3 4 3 2 C u r r e n t C o n d u c t i o n M e c h a n i s m 3 5 3 2 1 T h e r m i o n i c E m i s s i o n 3 6 3 2 2 F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g 3 6 3 2 3 D i r e c t T u n n e l i n g 3 8 3 2 4 A n a l y t i c a l E x p r e s s i o n s f o r t h e T u n n e l C u r r e n t s 3 9

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i i 3 3 D i e l e c t r i c B r e a k d o w n 4 1 3 3 1 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n ( T D D B ) 4 2 3 3 2 D i e l e c t r i c B r e a k d o w n M o d e l s 4 3 3 3 2 1 B a n d g a p I o n i z a t i o n M o d e l 4 4 3 3 2 2 A n o d e H o l e I n j e c t i o n M o d e l 4 5 3 3 2 3 H y d r o g e n R e l e a s e M o d e l 4 5 3 4 R e l i a b i l t y 4 6 3 4 1 R e l i a b i l i t y P r o j e c t i o n s 4 8 C h a p t e r 4 D e t e r m i n a t i o n a n d E x t r a c t i o n o f P a r a m e t e r B 5 0 4 1 I n t r o d u c t i o n 5 0 4 2 I m p o r t a n c e o f P a r a m e t e r B 5 1 4 3 S a m p l e F a b r i c a t i o n 5 1 4 4 M e a s u r e m e n t S e t u p 5 2 4 4 1 O v e r v i e w o f E q u i p m e n t s 5 3 4 4 2 L a b S e t u p f o r I V M e a s u r e m e n t s 5 4 4 4 3 L a b S e t u p f o r C V M e a s u r e m e n t s 5 6 4 5 A n a l y s i s 5 7 4 5 1 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n ( T D D B ) 5 9 4 5 2 F N R e g i o n 6 1 4 5 2 1 C V C h a r a c t e r i s t i c s 6 1 4 5 2 2 I V C h a r a c t e r i s t i c s 6 4 4 5 2 3 F N S l o p e A n a l y s i s a n d E x p e r i m e n t a l R e s u l t s 6 7 C h a p t e r 5 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n 7 1 R e f e r e n c e s 7 4 A p p e n d i c e s 7 8 A p p e n d i x A F a c t o r s A f f e c t i n g T e s t i n g o n P r o b e S t a t i o n 7 9 A 1 R a n d o m N o i s e I n t r o d u c t i o n 7 9 A 2 P e r i o d i c N o i s e I n t r o d u c t i o n 7 9 A 3 N o i s e C o u p l e d T h r o u g h M e a s u r e m e n t E q u i p m e n t 7 9 A 4 P r o b e C o n t a c t 8 0 A 5 L e a k y P r o b e s 8 0 A 6 F a c t o r A f f e c t i n g t h e L o w L e v e l E n v i r o n m e n t C u r r e n t T e s t i n g 8 0 A 6 1 C o m m o n I m p e d a n c e 8 0 A 6 1 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e 8 1 A 6 2 M a g n e t i c a l l y C o u p l e d N o i s e 8 1 A 6 2 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e 8 1 A 6 3 I n c i d e n t a l C a p a c i t i v e C o u p l i n g 8 1 A 6 3 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s 8 2 A 6 4 C h a r g e T r a n s f e r 8 2 A 6 4 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e 8 2 A 6 5 L i g h t 8 2

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i i i A 6 5 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s 8 2 A 6 6 I n t r i n s i c N o i s e S o u r c e s 8 3 A 6 6 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s 8 3 A 6 7 L e a k a g e C u r r e n t 8 3 A 6 7 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s 8 3 A 7 W o r k D o n e o n t h e P r o b e S t a t i o n i n N o i s e a n d R e l i a b i l i t y L a b 8 3 A p p e n d i x B L a b V I E W a n d I n t e g r a t e d C i r c u i t T e s t i n g 8 5 B 1 I n t r o d u c t i o n 8 5 B 2 F r o n t p a n e l o f t h e V I 8 6 B 3 B l o c k d i a g r a m o f t h e V I 8 7 B 4 H o w t o r u n t h e p r o g r a m 8 9

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i v L i s t o f T a b l e s T a b l e 2 1 S o u r c e D r a i n a n d C o n t r o l G a t e B i a s e s f o r O p e r a t i o n o f a T y p i c a l F l a s h C a l l 2 8 T a b l e 2 2 H i s t o r i c a l T r e n d s i n S c a l i n g 3 1

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v L i s t o f F i g u r e s F i g u r e 1 1 P r e d i c t i o n s f o r t h e N e x t F e w G e n e r a t i o n s o f C h i p s 3 F i g u r e 1 2 R e p o r t e d H i g h K M a t e r i a l s 5 F i g u r e 2 1 B a n d D i a g r a m f o r I d e a l M O S D i o d e 9 F i g u r e 2 2 B a n d D i a g r a m o f M O S a t N e g a t i v e V o l t a g e ( VG S < 0 ) 9 ( H o l e A c c u m u l a t i o n o f t h e S e m i c o n d u c t o r S u r f a c e ) F i g u r e 2 3 B a n d D i a g r a m o f M O S a t P o s i t i v e V o l t a g e ( VG S > 0 ) ( H o l e D e p l e t i o n o f t h e S e m i c o n d u c t o r S u r f a c e ) 1 0 F i g u r e 2 4 B a n d D i a g r a m o f M O S a t a L a r g e P o s i t i v e V o l t a g e ( H o l e D e p l e t i o n o f t h e S e m i c o n d u c t o r S u r f a c e ) 1 1 F i g u r e 2 5 T h e M O S C a p a c i t o r S t r u c t u r e 1 4 F i g u r e 2 6 C V C h a r a c t e r i z a t i o n o f a n I d e a l M O S C a p a c i t o r S t r u c t u r e ( n t y p e s u b s t r a t e ) 1 4 F i g u r e 2 7 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o A c c u m u l a t i o n 1 5 F i g u r e 2 8 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o D e p l e t i o n a n d E q u i v a l e n t C i r c u i t D i a g r a m 1 6 F i g u r e 2 9 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o I n v e r s i o n 1 8 F i g u r e 2 1 0 ( a ) A P l o t o f t h e H i g h F r e q u e n c y C a p a c i t a n c e V o l t a g e o f a M O S C a p a c i t o r w i t h D i f f e r e n t V a l u e s o f F i x e d O x i d e C h a r g e ( b ) T h e E f f e c t o f t h e I n t e r f a c e S t a t e s i s t o “ S m e a r ” o u r t h e C V C u r v e s 2 0 F i g u r e 2 1 1 C r o s s S e c t i o n a n d C i r c u i t S y m b o l o f a n n c h a n n e l ( M O S F E T ) 2 2 F i g u r e 2 1 2 T o p V i e w o f M O S F E T 2 3 F i g u r e 2 1 3 C u r r e n t V o l t a g e C h a r a c t e r i s t i c s o f a M O S F E T 2 6

PAGE 8

v i F i g u r e 2 1 4 B a s i c S t r u c t u r e o f a T y p i c a l F G D e v i c e 2 8 F i g u r e 2 1 5 F l a s h C e l l D u r i n g a W r i t e O p e r a t i o n 2 9 F i g u r e 2 1 6 E r a s e O p e r a t i o n E m p l o y i n g F o w l e r N o r d h e i m Tu n n e l i n g 3 0 F i g u r e 2 1 7 P a s t T r e n d s i n S c a l i n g 3 2 F i g u r e 3 1 T h e r m i o n i c E m i s s i o n 3 6 F i g u r e 3 2 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a n n + p o l y S i / S i O2/ n S i S t r u c t u r e i n c a s e o f F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g 3 7 F i g u r e 3 3 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a p + p o l y S i / S i O2/ p S i S t r u c t u r e i n c a s e o f F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g 3 7 F i g u r e 3 4 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a n n + p o l y S i / S i O2/ n S i S t r u c t u r e i n c a s e o f D i r e c t T u n n e l i n g 3 8 F i g u r e 3 5 T r i a n g u l a r P o t e n t i a l B a r r i e r 3 9 F i g u r e 3 6 O u t l i n e o f t h e M e c h a n i s m o f D e f e c t G e n e r a t i o n L e a d i n g t o B r e a k d o w n o f S i O2 4 4 F i g u r e 3 7 O x i d e R e l i a b i l i t y P r o j e c t i o n s b y D i f f e r e n t L a b s 4 9 F i g u r e 4 1 I V M e a s u r e m e n t S e t u p 5 5 F i g u r e 4 2 C V M e a s u r e m e n t S e t u p 5 6 F i g u r e 4 3 P l o t o f C u r r e n t v e r s u s A r e a f o r a 7 n m n t y p e D e v i c e 5 7 F i g u r e 4 4 P l o t o f C u r r e n t v e r s u s A r e a f o r a 7 n m p t y p e D e v i c e 5 8 F i g u r e 4 5 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n B e h a v i o r o f a 7 n m O x i d e T h i c k n e s s n t y p e D e v i c e 6 0 F i g u r e 4 6 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n B e h a v i o r o f a 7 n m O x i d e T h i c k n e s s p t y p e D e v i c e 6 0 F i g u r e 4 7 C V C h a r a c t e r i s t i c s o f a 7 n m n t y p e D e v i c e 6 2 F i g u r e 4 8 C V C h a r a c t e r i s t i c s o f a 7 n m p t y p e D e v i c e 6 3

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v i i F i g u r e 4 9 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 7 n m n t y p e D e v i c e 6 5 F i g u r e 4 1 0 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 7 n m p t y p e D e v i c e 6 6 F i g u r e 4 1 1 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 1 3 n m n t y p e D e v i c e 6 6 F i g u r e 4 1 2 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 1 0 n m p t y p e D e v i c e 6 7 F i g u r e 4 1 3 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 7 n m n t y p e D e v i c e 6 8 F i g u r e 4 1 4 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 7 n m p t y p e D e v i c e 6 9 F i g u r e 4 1 5 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 1 3 n m n t y p e D e v i c e 7 0 F i g u r e 4 1 6 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 1 0 n m p t y p e D e v i c e 7 0 F i g u r e B 1 F r o n t P a n e l o f V I 8 6 F i g u r e B 2 F r a m e 0 o f t h e B l o c k D i a g r a m 8 7 F i g u r e B 3 F r a m e 1 o f t h e B l o c k D i a g r a m 8 8 F i g u r e B 4 F r a m e 3 o f t h e B l o c k D i a g r a m 8 9

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v i i i I n v e s t i g a t i o n o f O x i d e T h i c k n e s s D e p e n d e n c e o f F o w l e r N o r d h e i m P a r a m e t e r B S h a s h a n k B h a r a d w a j A B S T R A C T D u r i n g r e c e n t y e a r s t h e t h i c k n e s s o f t h e g a t e o x i d e h a s b e e n r e d u c e d c o n s i d e r a b l y T h e p r o g r e s s i v e m i n i a t u r i z a t i o n o f d e v i c e s h a s c a u s e d s e v e r a l p h e n o m e n a t o e m e r g e s u c h a s q u a s i b r e a k d o w n d i r e c t t u n n e l i n g a n d s t r e s s i n d u c e d l e a k a g e c u r r e n t s S u c h p h e n o m e n a s i g n i f i c a n t l y m o d i f y t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s c a l e d d o w n M O S F E T s A s a p a r t o f t h i s r e s e a r c h w o r k a n e f f o r t h a s b e e n m a d e t o s t u d y t h e p e r f o r m a n c e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t h i n G a t e o x i d e f o r M O S F E T s a n d T u n n e l O x i d e f o r F l o a t i n g G a t e ( F G ) M O S d e v i c e s T h e e x p o n e n t i a l d e p e n d e n c e o f t u n n e l c u r r e n t o n t h e o x i d e e l e c t r i c f i e l d c a u s e s s o m e c r i t i c a l p r o b l e m s i n p r o c e s s c o n t r o l A v e r y g o o d p r o c e s s c o n t r o l i s t h e r e f o r e r e q u i r e d T h i s c a n b e a c h i e v e d b y f i n d i n g o u t t h e e x a c t v a l u e o f F N t u n n e l i n g p a r a m e t e r T h i s r e s e a r c h w o r k a l s o i s a n e f f o r t o f f i n d i n g a n a c c u r a t e v a l u e f o r p a r a m e t e r B a n d i t s d e p e n d e n c e o n t h e o x i d e t h i c k n e s s a s t h e d e v i c e a r e s c a l e d d o w n t o a l e v e l w h e r e t h e p r o b a b i l i t y o f D i r e c t T u n n e l i n g m e c h a n i s m g a i n s m o r e p r o m i n e n c e A f u l l y a u t o m a t e d L o w C u r r e n t M e a s u r e m e n t w o r k s t a t i o n w i t h n o i s e t o l e r a n c e a s l o w a s 1 01 5 A w a s s e t u p a s a p a r t o f t h i s r e s e a r c h C V a n d I V c u r v e s w e r e a n a l y z e d t o e x t r a c t d e t e r m i n e a n d i n v e s t i g a t e t h e o x i d e t h i c k n e s s d e p e n d e n c e o f F N p a r a m e t e r B F o r o x i d e t h i c k n e s s i n t h e r a n g e 1 0 ~ 1 3 n m t h e p a r a m e t e r B r a n g e d b e t w e e n 2 6 0 a n d 2 6 7 T h u s i t c a n b e s a i d t h a t i t i s n o t s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e i n o x i d e t h i c k n e s s i n t h i s r a n g e H o w e v e r i t w a s n o t i c e d t h a t f o r t h i c k n e s s a r o u n d 7 n m w i d e v a r i e t y o f r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f o r t h e F o w l e r N o r d h e i m p a r a m e t e r B ( B r a n g e d f r o m 2 6 0 t o 4 5 4 ) T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e

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i x e n h a n c e m e n t i n t h e l e a k a g e c u r r e n t d u e t o t h e d i r e c t t u n n e l i n g H e n c e t o h a v e t i g h t c o n t r o l o v e r VT f o r a N V M n e w a l g o r i t h m s n e e d t o b e d e v e l o p e d f o r e v e n b e t t e r p r o c e s s c o n t r o l f o r o x i d e t h i c k n e s s i n t h e r a n g e o f 7 n m a n d b e l o w

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1 C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n O v e r t h e p a s t t w o d e c a d e s t h e s t e a d y d o w n s c a l i n g o f t r a n s i s t o r d i m e n s i o n s h a s b e e n t h e m a i n s t i m u l u s t o t h e g r o w t h o f s i l i c o n i n t e g r a t e d c i r c u i t s ( I C s ) a n d t h e i n f o r m a t i o n i n d u s t r y [ 1 2 ] T h e m o r e a n I C i s s c a l e d t h e h i g h e r b e c o m e s i t s p a c k i n g d e n s i t y t h e h i g h e r i t s c i r c u i t s p e e d a n d t h e l o w e r i t s p o w e r d i s s i p a t i o n [ 3 ] T h e s e h a v e b e e n k e y i n t h e e v o l u t i o n a r y p r o g r e s s l e a d i n g t o t o d a y s c o m p u t e r s a n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h a t o f f e r s u p e r i o r p e r f o r m a n c e d r a m a t i c a l l y r e d u c e d c o s t p e r f u n c t i o n a n d m u c h r e d u c e d p h y s i c a l s i z e c o m p a r e d t o t h e i r p r e d e c e s s o r s T h e p r e v a i l i n g V L S I t e c h n o l o g y t o d a y c o m p r i s e s C M O S d e v i c e s b e c a u s e o f t h e i r u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c o f n e g l i g i b l e s t a n d b y p o w e r w h i c h a l l o w s t h e i n t e g r a t i o n o f t e n s o f m i l l i o n s o f t r a n s i s t o r s o n a p r o c e s s o r c h i p w i t h o n l y a v e r y s m a l l f r a c t i o n ( < 1 % ) o f t h e m s w i t c h i n g a t a n y g i v e n i n s t a n t A l s o i t w o u l d n ’ t b e w r o n g t o s t a t e t h a t t h e m i c r o e l e c t r o n i c s i n d u s t r y o w e s a g r e a t d e a l o f i t s s u c c e s s t o t h e e x i s t e n c e o f t h e t h e r m a l o x i d e o f s i l i c o n i e s i l i c o n d i o x i d e ( S i O2) A t h i n l a y e r o f S i O2 f o r m s t h e i n s u l a t i n g l a y e r b e t w e e n t h e c o n t r o l g a t e a n d t h e c o n d u c t i n g c h a n n e l o f t h e t r a n s i s t o r s u s e d i n m o s t m o d e r n i n t e g r a t e d c i r c u i t s A s c i r c u i t s a r e m a d e d e n s e r a l l o f t h e d i m e n s i o n s o f t h e t r a n s i s t o r s a r e r e d u c e d ( “ s c a l e d ” ) c o r r e s p o n d i n g l y A s t h e C M O S d i m e n s i o n i n p a r t i c u l a r

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2 t h e c h a n n e l l e n g t h i s s c a l e d t o t h e n a n o m e t e r r e g i m e ( < 1 0 0 n m ) h o w e v e r t h e e l e c t r i c a l b a r r i e r s i n t h e d e v i c e b e g i n t o l o s e t h e i r i n s u l a t i n g p r o p e r t i e s b e c a u s e o f t h e r m a l i n j e c t i o n a n d q u a n t u m m e c h a n i c a l t u n n e l i n g [ 4 ] T h i s r e s u l t s i n a r a p i d r i s e o f t h e s t a n d b y p o w e r o f t h e c h i p p l a c i n g a l i m i t o n t h e i n t e g r a t i o n l e v e l a s w e l l a s o n t h e s w i t c h i n g s p e e d A l s o t h e g a t e o x i d e h a s b e e n s c a l e d t o a t h i c k n e s s o f o n l y a f e w a t o m i c l a y e r s w h e r e t u n n e l i n g g i v e s r i s e t o a s h a r p i n c r e a s e i n g a t e l e a k a g e c u r r e n t s T h e r e f o r e t o s u s t a i n t h e p e r f o r m a n c e t r e n d s o f l a s t t w e n t y y e a r s n e w s o l u t i o n s s u c h a s h i g h d i e l e c t r i c c o n s t a n t a n d s h a l l o w u l t r a l o w r e s i s t i v i t y j u n c t i o n s n e e d t o b e d e v e l o p e d 1 1 G a t e D i e l e c t r i c s S i l i c o n d i o x i d e h a s s e r v e d f o r m o r e t h a n t h r e e d e c a d e s a s t h e g a t e i n s u l a t o r r e s p o n s i b l e f o r b l o c k i n g c u r r e n t i n i n s u l a t e d g a t e f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r c h a n n e l s f r o m t h e g a t e e l e c t r o d e i n C M O S d e v i c e s T h e r e a s o n f o r t h e n e a r l y e x c l u s i v e u s e o f s i l i c o n d i o x i d e i n t h i s a p p l i c a t i o n i s t h a t s i l i c o n d i o x i d e u n i q u e l y p o s s e s s e s t h e r e q u i r e d c o m b i n a t i o n o f s e v e r a l p r o p e r t i e s : g o o d m o b i l i t y o f h o l e s a n d e l e c t r o n s f l o w i n g i n s i l i c o n a t t h e s i l i c o n d i o x i d e i n t e r f a c e a b i l i t y t o k e e p e l e c t r o n i c s t a t e s ( s u r f a c e s t a t e s ) a t t h i s i n t e r f a c e l o w r e l a t i v e l y l o w t r a p p i n g r a t e s o f h o l e s a n d e l e c t r o n s a n d e x c e l l e n t c o m p a t i b i l i t y w i t h C M O S p r o c e s s i n g S i n c e t h e g a t e i n s u l a t o r a l s o s e r v e s t o c o u p l e t h e e l e c t r i c p o t e n t i a l f r o m t h e g a t e e l e c t r o d e t o t h e c h a n n e l t h e b e s t c o n t r o l o f t h e c h a n n e l b y t h e g a t e i s o b t a i n e d w h e n t h e g a t e i n s u l a t o r i s m a d e a s t h i n a s p o s s i b l e

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3 F i g u r e 1 1 P r e d i c t i o n s f o r t h e N e x t F e w G e n e r a t i o n s o f C h i p s F i g u r e 1 1 s h o w s t h e 1 9 9 7 p r e d i c t i o n f o r t h e n e x t f e w g e n e r a t i o n s o f c h i p s [ 5 ] I n t h i s p l o t t h e g e n e r a t i o n s a r e d e f i n e d b y a c r i t i c a l d e v i c e s i z e w h i c h i s p r o j e c t e d t o d e c r e a s e f r o m 2 0 0 n m t o 5 0 n m o v e r t h e n e x t 1 2 y e a r s T h e g a t e o x i d e m u s t b e r e d u c e d i n t u r n f r o m 2 5 s i l i c o n a t o m s t o d a y t o 5 a t o m s i n 2 0 1 2 t o a c h i e v e t h e r o a d m a p g o a l C l e a r l y t h e r e m u s t b e a l i m i t t o t h i s s c a l i n g d o w n b e c a u s e t h e g a t e o x i d e t h i c k n e s s w i l l e v e n t u a l l y r e a c h z e r o A s a m a t t e r o f f a c t f u n d a m e n t a l l i m i t s h a v e b e e n r e a c h e d f o r S i O2 s c a l i n g I n c r e a s e d p r o b l e m s w i t h d o p a n t p e n e t r a t i o n t h r o u g h u l t r a t h i n S i O2 l a y e r s a n d d i r e c t t u n n e l i n g f o r u l t r a t h i n o x i d e f i l m s d i c t a t e a n a g g r e s s i v e e x p l o r a t i o n f o r n e w m a t e r i a l s t o b e u s e d i n f u t u r e g a t e d i e l e c t r i c a p p l i c a t i o n s

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4 1 2 H i g h K D i e l e c t r i c O n e p o s s i b l e s o l u t i o n i s t o u s e a n i n s u l a t i n g f i l m w i t h a d i e l e c t r i c c o n s t a n t h i g h e r t h a n t h a t f o r S i O2. A h i g h d i e l e c t r i c c o n s t a n t a l l o w s t h e u s e o f a t h i c k e r i n s u l a t i n g l a y e r f o r t h e g a t e e l e c t r o d e T h e r e a r e a w i d e v a r i e t y o f f i l m s w i t h h i g h e r k v a l u e s t h a n S i O2, r a n g i n g f r o m S i3N4 w i t h a k v a l u e o f 7 u p t o P b L a T i ( P L T ) w i t h a k v a l u e o f 1 4 0 0 U n f o r t u n a t e l y m a n y o f t h e s e f i l m s a r e n o t t h e r m o d y n a m i c a l l y s t a b l e o n s i l i c o n o r a r e l a c k i n g i n o t h e r p r o p e r t i e s s u c h a s a h i g h b r e a k d o w n v o l t a g e l o w d e f e c t d e n s i t y g o o d a d h e s i o n t h e r m a l s t a b i l i t y l o w d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e a b i l i t y t o b e p a t t e r n e d e a s i l y a n d l o w c h a r g e s t a t e s o n s i l i c o n C u r r e n t l y i n t e r e s t s e e m s t o b e c e n t e r e d o n f i l m s s u c h a s H f O2 a n d Z r O2 w i t h k v a l u e s o f 3 0 4 0 a n d 2 5 r e s p e c t i v e l y e n a b l i n g a 6 4 x t o 1 0 3 x i n c r e a s e i n f i l m t h i c k n e s s f o r e q u i v a l e n t p e r f o r m a n c e I n t e l r e c e n t l y r e p o r t e d o v e r f i v e o r d e r s o f m a g n i t u d e r e d u c t i o n o f l e a k a g e f o r h i g h k o x i d e s b a s e d o n H f O2 a n d Z r O2 v e r s u s S i O2 f o r e q u i v a l e n t o x i d e t h i c k n e s s e s T r a n s i s t o r s b a s e d o n t h e s e f i l m s s h o w e d e x c e l l e n t o v e r a l l p e r f o r m a n c e A n o t h e r f i l m w h i c h h a s s h o w n e x c e l l e n t d i e l e c t r i c p r o p e r t y h a s b e e n L a2O3 [ 6 ] A l t h o u g h s t u d y i n i t i a t e d h a s b e e n p r e t t y r e c e n t L a2O3 c o u l d w e l l b e a g o o d r e p l a c e m e n t c a n d i d a t e F i g u r e 1 2 g i v e s a b r i e f i d e a a b o u t t h e e f f o r t r e s e a r c h a n d p u b l i c a t i o n s p u t o n t h e d i f f e r e n t a l t e r n a t e h i g h k m a t e r i a l s i n t h e l a s t t w o y e a r s o r s o I t i s c l e a r l y s e e n t h a t H f O2 a n d Z r O2 h a v e b e e n m o s t p o p u l a r r e s e a r c h m a t e r i a l s a s a p o s s i b l e r e p l a c e m e n t f o r S i O2.

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5 F i g u r e 1 2 R e p o r t e d H i g h K M a t e r i a l s [ 7 8 ] 1 3 F u t u r e T r e n d s i n S i l i c o n T e c h n o l o g y a n d P u r p o s e o f t h e T h e s i s T h e g u i d i n g p r i n c i p l e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h p e r f o r m a n c e d e e p s u b h a l f m i c r o n a n d s u b q u a r t e r m i c r o n U L S I d e v i c e s i s t o i n c r e a s e f u n c t i o n s t h a t c a n b e h a n d l e d i n a u n i t a r e a o f t h e d e v i c e A d d i t i o n a l l y d e v i c e r e l i a b i l i t y m u s t b e m a i n t a i n e d w h i l e e n h a n c i n g s p e e d p e r f o r m a n c e D u r i n g t h e l a s t d e c a d e d e v i c e p h y s i c i s t s r e s e a r c h e r s a n d e n g i n e e r s h a v e b e e n c o n t i n u o u s l y f a c e d w i t h n e w e l e m e n t s t h a t m a d e t h e t a s k o f M O S F E T c h a r a c t e r i z a t i o n m o r e a n d m o r e c r u c i a l a s w e l l a s d i f f i c u l t T h e p r o g r e s s i v e m i n i a t u r i z a t i o n o f d e v i c e s h a s c a u s e d s e v e r a l p h e n o m e n a t o e m e r g e s u c h a s q u a s i b r e a k d o w n d i r e c t t u n n e l i n g a n d s t r e s s i n d u c e d l e a k a g e c u r r e n t s S u c h p h e n o m e n a s i g n i f i c a n t l y m o d i f y t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s c a l e d d o w n M O S F E T s T h e r e f o r e t h e f i r s t e f f o r t i n t h i s r e s e a r c h i s t o s t u d y t h e p e r f o r m a n c e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i n G a t e o x i d e M O S F E T s

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6 T h e g r o w i n g d e m a n d o f h i g h d e n s i t y N V M ( N o n V o l a t i l e M e m o r y ) f o r t h e p o r t a b l e c o m p u t i n g a n d t e l e c o m m u n i c a t i o n s m a r k e t h a s e n c o u r a g e d s e r i o u s i n t e r e s t i n F l a s h m e m o r y w i t h t h e c a p a b i l i t y o f m u l t i l e v e l s t o r a g e a n d l o w v o l t a g e o p e r a t i o n [ 9 ] M u l t i l e v e l s t o r a g e i m p l i e s t h e c a p a b i l i t y o f s t o r i n g t w o b i t s i n a s i n g l e c e l l T o d o s o f o u r d i f f e r e n t t h r e s h o l d v o l t a g e s n e e d t o b e c o r r e c t l y i d e n t i f i e d i n t h e F G ( F l o a t i n g G a t e ) t r a n s i s t o r E v e n i f a s i n g l e b i t i s s t o r e d i n a c e l l t h r e s h o l d v o l t a g e l e v e l s n e e d t o b e a c c u r a t e l y d e t e r m i n e d t o p r e v e n t e r r o r s f r o m c r e e p i n g d u r i n g t h e w r i t e a n d e r a s e o p e r a t i n g m o d e s o f f l a s h d e v i c e T h i s c a n b e a c h i e v e d b y f i n d i n g o u t t h e e x a c t v a l u e o f F N t u n n e l i n g p a r a m e t e r B R e s e a r c h w o r k i n t h i s d i r e c t i o n h a s b e e n a n o n g o i n g p r o c e s s a n d a w i d e r a n g e o f v a l u e s f o r p a r a m e t e r B h a s b e e n p u b l i s h e d H o w e v e r u p t o t h e p r e s e n t t i m e t h e r e a r e n o g e n e r a l l y a c c e p t e d v a l u e s f o r p a r a m e t e r B T h i s r e s e a r c h w o r k i s a n e f f o r t o f f i n d i n g a n a c c u r a t e v a l u e f o r p a r a m e t e r B a n d i t s d e p e n d e n c e o n t h e o x i d e t h i c k n e s s a s t h e d e v i c e a r e s c a l e d d o w n t o a l e v e l w h e r e t h e p r o b a b i l i t y o f D i r e c t T u n n e l i n g m e c h a n i s m g a i n s m o r e p r o m i n e n c e S u c h s t u d i e s a r e n e c e s s a r y i n o r d e r t o o b t a i n a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e d y n a m i c s o f t h e w r i t i n g a n d e r a s i n g i n t h e m e m o r y d e v i c e s a n d t h e l e a k a g e c u r r e n t i n t h e g a t e f o r M O S F E T S I n c l u d i n g t h i s I n t r o d u c t i o n t h i s t h e s i s c o n t a i n s 5 c h a p t e r s I n c h a p t e r 2 t h e b a s i c s t r u c t u r e s a n d o p e r a t i o n s o f M O S d e v i c e s h a v e b e e n d i s c u s s e d I m p o r t a n c e o f s c a l i n g i s a l s o p r e s e n t e d C h a p t e r 3 d e a l s w i t h t h e c h a r a c t e r i z a t i o n t h e o r y a n d r e l i a b i l i t y i s s u e s I n c h a p t e r 4 a n a l y s i s h a s b e e n p e r f o r m e d a n d r e s u l t s j u s t i f y i n g t h e r e s e a r c h h a v e b e e n

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7 p r e s e n t e d C h a p t e r 5 d i s c u s s e s t h e c o n c l u s i o n s d e r i v e d a n d a l s o p r e s e n t s f u t u r e w o r k i n t h i s d i r e c t i o n

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8 C h a p t e r 2 M O S D e v i c e s 2 1 I d e a l M O S D i o d e A n i d e a l M O S d i o d e i s d e f i n e d a s f o l l o w s : 1 T h e e n e r g y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m e t a l w o r k f u n c t i o n m a n d t h e s e m i c o n d u c t o r w o r k f u n c t i o n s i s z e r o 2 T h e o n l y c h a r g e s t h a t c a n e x i s t i n t h e s t r u c t u r e u n d e r a n y b i a s i n g c o n d i t i o n s a r e t h o s e i n t h e s e m i c o n d u c t o r a n d t h o s e w i t h t h e e q u a l b u t w i t h o p p o s i t e s i g n o n t h e m e t a l s u r f a c e a d j a c e n t t o t h e i n s u l a t o r T h i s i s e q u i v a l e n t t o o x i d e c h a r g e b e i n g z e r o 3 T h e r e s i s t i v i t y o f t h e i n s u l a t o r ( o x i d e ) i s i n f i n i t e s o t h a t t h e r e i s n o c a r r i e r t r a n s p o r t u n d e r d c b i a s T h e b a n d d i a g r a m f o r m e t a l o x i d e a n d s e m i c o n d u c t o r w h e n t h e y a r e i n c o n t a c t a n d u n d e r z e r o b i a s i s s h o w n i n F i g u r e 2 1 A s c a n b e s e e n a t z e r o a p p l i e d v o l t a g e t h e r e i s n o e n e r g y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m e t a l w o r k f u n c t i o n m a n d t h e s e m i c o n d u c t o r w o r k f u n c t i o n s. I n o t h e r w o r d s t h e b a n d i s f l a t ( f l a t b a n d c o n d i t i o n ) w h e n t h e a p p l i e d v o l t a g e i s z e r o I f m s i s t h e w o r k f u n c t i o n d i f f e r e n c e t h e n ( ) [ ] 0 / = F + + F = F F = FF i c m s m m sq E Ec ( 2 1 ) f o r p t y p e w h e r e i s s e m i c o n d u c t o r e l e c t r o n a f f i n i t y Ec t h e b a n d g a p a n d F t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e F e r m i l e v e l a n d i n t r i n s i c F e r m i l e v e l

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9 Figure 2.1 Band Diagram for Ideal MOS Diode [10, 11] Figure 2.2 Band Diagram of MOS at Negative Voltage (VGS < 0) (Hole Accumulation of the Semiconductor Surface) When an ideal MOS diode is biased with positive or negative voltages, three cases may exist at the semiconductor surface. Consider p-type semiconductor as shown in Figure Ec E i Ef Ev METAL OXIDE SEMICONDUCTOR qV Electric field Accumulation Ef VACCUM LEVEL Ec E i Ef E v mq F Bq F METAL INSULATOR P SEMICONDUCTOR q q Ef c q sq F Fq F

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1 0 2 2 N o w w h e n a n e g a t i v e v o l t a g e V i s a p p l i e d t o t h e m e t a l p l a t e t h e t o p o f t h e v a l e n c e b a n d b e n d s u p w a r d a n d i s c l o s e r t o t h e F e r m i l e v e l S i n c e t h e c a r r i e r d e n s i t y d e p e n d s o n t h e e n e r g y d i f f e r e n c e ( EF EV ) a n d F e r m i l e v e l r e m a i n s c o n s t a n t b e c a u s e o f n o c u r r e n t f l o w i n a n i d e a l M O S t h i s b a n d b e n d i n g c a u s e s a c c u m u l a t i o n o f m a j o r i t y c a r r i e r s ( h o l e s f o r p t y p e a n d e l e c t r o n s f o r n t y p e ) n e a r t h e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e T h i s p h e n o m e n o n i s t e r m e d a s A c c u m u l a t i o n p r o c e s s F i g u r e 2 3 B a n d D i a g r a m o f M O S a t P o s i t i v e V o l t a g e ( VG S > 0 ) ( H o l e D e p l e t i o n o f t h e S e m i c o n d u c t o r S u r f a c e ) F o r VG S > 0 ( p o s i t i v e v o l t a g e a c r o s s t h e m e t a l p l a t e ) m e t a l F e r m i l e v e l i s l o w e r e d b y q V r e l a t i v e t o i t s e q u i l i b r i u m p o s i t i o n A s a r e s u l t t h e o x i d e c o n d u c t i o n b a n d i s a g a i n t i l t e d ( m o v i n g t h e m e t a l o x i d e d o w n r e l a t i v e t o t h e s e m i c o n d u c t o r s i d e ) T h e p o s i t i v e v o l t a g e d e p o s i t s p o s i t i v e c h a r g e o n t h e m e t a l a n d c a l l s f o r a c o r r e s p o n d i n g n e t n e g a t i v e c h a r g e a t Ec E i Ef Ev M E T A L O X I D E S E M I C O N D U C T O R E l e c t r i c f i e l d D e p l e t i o n Ef q V Xd Vo x

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1 1 t h e s u r f a c e o f t h e s e m i c o n d u c t o r S u c h a n e g a t i v e c h a r g e i n t h e P t y p e m a t e r i a l a r i s e s f r o m t h e d e p l e t i o n o f h o l e s f r o m t h e n e a r s u r f a c e l e a v i n g b e h i n d u n c o m p e n s a t e d i o n i z e d a c c e p t o r s T h i s i s t h e d e p l e t i o n c a s e a s s h o w n i n F i g u r e 2 3 I f t h e v o l t a g e i s f u r t h e r i n c r e a s e d i n t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n h o l e s a r e r e p e l l e d t o a l a r g e e x t e n t T h e b a n d s b e n d e v e n m o r e d o w n w a r d s u c h t h a t t h e i n t r i n s i c l e v e l Ei a t t h e s u r f a c e c r o s s e s o v e r t h e F e r m i l e v e l a s s e e n i n F i g u r e 2 4 A t t h i s p o i n t e l e c t r o n s b e c o m e t h e m a j o r i t y c a r r i e r s T h e s u r f a c e i s t h u s “ i n v e r t e d ” a n d t h i s p r o c e s s i s t e r m e d a s i n v e r s i o n F i g u r e 2 4 B a n d D i a g r a m o f M O S a t a L a r g e P o s i t i v e V o l t a g e ( H o l e D e p l e t i o n o f t h e S e m i c o n d u c t o r S u r f a c e ) I t i s s h o u l d b e n o t e d t h a t s i m i l a r r e s u l t s c a n b e o b t a i n e d f o r t h e n t y p e s e m i c o n d u c t o r w i t h t h e p o l a r i t y o f t h e a p p l i e d v o l t a g e b e i n g r e v e r s e d Ec E i Ef Ev M E T A L O X I D E S E M I C O N D U C T O R E l e c t r i c f i e l d I n v e r s i o n V > > 0 Ef q V Xd( m a x )

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12 2.1.1 Threshold Voltage The threshold voltage of an MOS transistor is the voltage required to turn on the transistor and allow current flow between the drain and source nodes. The transistor is considered to be turned on when an inversion layer has been established in the channel. An inversion layer is said to be established when the electrostatic potential between the bulk semiconductor and the oxide-semiconductor surface (called surface potential, S ) is twice the Fermi potential F. For an nMOS transistor, when S = 2 F, the p-type substrate semiconductor acts like an n-type semiconductor at the surface, and thus the transistor is in inversion. The fundamental equation for MOS threshold voltage, VT is OX B F TC Q V -F= 2 (2.2) To understand this equation better, certain parameters need to be defined at this stage. The Fermi potential fF is the difference (in volts) between the intrinsic energy level and the Fermi energy level deep inside the semiconductor substrate (i.e. away from the oxide surface). q EEFi F=f (2.3) and =-i A Fin N kTEE ln (2.4) where NA is the substrate impurity concentration. Hence the Fermi potential for an nMOS transistor can be written as:

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1 3 =i A Fn N q k T l nf ( 2 5 ) W h e n a t r a n s i s t o r i s i n i n v e r s i o n t h e r e i s a d e p l e t i o n l a y e r i n t h e d e v i c e c h a n n e l ( u n d e r t h e g a t e o x i d e ) w h i c h p r o v i d e s a c h a r g e t h a t m u s t b e b a l a n c e d b y t h e g a t e v o l t a g e T h u s t h e t h r e s h o l d v o l t a g e m u s t a l s o a c c o u n t f o r t h i s d e p l e t i o n c h a r g e T h i s c h a r g e i n t h e b u l k d e p l e t i o n l a y e r w h i c h i s d u e t o i o n i z e d i m p u r i t i e s i s g i v e n b y : ( ) F A s d A BN q X q N Qf e2 2 = = ( 2 6 ) w h e r e Xd i s t h e d e p l e t i o n l a y e r w i d t h a n d i s g i v e n b y 2 / 12 n =A s s dq N Xf e ( 2 7 ) 2 1 2 M O S C a p a c i t o r u n d e r B i a s M O S c a p a c i t o r c o n s i s t s o f a m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r l a y e r s t r u c t u r e w h i c h f o r m s a v o l t a g e d e p e n d e n t c a p a c i t o r T h e m o s t c o m m o n M O S c a p a c i t o r s t r u c t u r e i s s h o w n i n F i g u r e 2 5 A s s e e n t h e m e t a l p l a t e i s a h e a v i l y d o p e d p+ p o l y s i l i c o n l a y e r T h e i n s u l a t i n g l a y e r i s s i l i c o n d i o x i d e a n d t h e o t h e r p l a t e o f t h e c a p a c i t o r i s t h e s e m i c o n d u c t o r l a y e r ( i n t h i s c a s e i t s a n n t y p e s i l i c o n ) T h e c a p a c i t a n c e d e p e n d s o n t h e v o l t a g e a p p l i e d t o t h e g a t e w i t h r e s p e c t t o t h e b o d y ( s u b s t r a t e ) a n d t h e f r e q u e n c y T h i s d e p e n d e n c e i s s h o w n i n F i g u r e 2 6 ( h i g h a s w e l l a s l o w f r e q u e n c y ) T h e r e a r e r o u g h l y t h r e e r e g i o n s o f o p e r a t i o n s e p a r a t e d b y t w o v o l t a g e s T h e s e a r e ( 1 ) A c c u m u l a t i o n i n w h i c h c a r r i e r s o f t h e s a m e t y p e a s t h e b o d y a c c u m u l a t e s a t t h e s u r f a c e ( 2 ) D e p l e t i o n i n w h i c h t h e s u r f a c e i s d e v o i d o f a n y c a r r i e r s l e a v i n g o n l y a

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1 4 s p a c e c h a r g e o r d e p l e t i o n l a y e r a n d ( 3 ) I n v e r s i o n i n w h i c h c a r r i e r s o f t h e o p p o s i t e t y p e f r o m t h e b o d y a g g r e g a t e a t t h e s u r f a c e t o “ i n v e r t ” t h e c o n d u c t i v i t y t y p e F i g u r e 2 5 T h e M O S C a p a c i t o r S t r u c t u r e [ 1 2 ] F i g u r e 2 6 C V C h a r a c t e r i s t i c s o f a n I d e a l M O S C a p a c i t o r ( n t y p e s u b s t r a t e ) [ 1 2 ] T h e t w o v o l t a g e s t h a t d e m a r c a t e t h e t h r e e r e g i m e s a r e F l a t b a n d V o l t a g e ( VF B) w h i c h s e p a r a t e s t h e a c c u m u l a t i o n r e g i m e f r o m t h e d e p l e t i o n r e g i m e s a n d t h e T h r e s h o l d V o l t a g e.

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1 5 2 1 2 1 S u r f a c e A c c u m u l a t i o n VF B i s t h e v o l t a g e a t w h i c h t h e r e i s n o c h a r g e o n t h e p l a t e s o f t h e c a p a c i t o r a n d h e n c e t h e r e i s n o e l e c t r i c f i e l d a c r o s s t h e o x i d e H e n c e i t ’ s a l s o c a l l e d F l a t b a n d v o l t a g e a n d i s z e r o f o r i d e a l M O S d i o d e N o w w h e n VG B ( a p p l i e d v o l t a g e ) > VF B a p o s i t i v e c h a r g e i s i n d u c e d o n t h e “ m e t a l ” g a t e a n d a c o r r e s p o n d i n g n e g a t i v e c h a r g e i n t h e s e m i c o n d u c t o r F o r a n n t y p e s i l i c o n e l e c t r o n s a c c u m u l a t e a t t h e s u r f a c e T h i s c o n d i t i o n i s t e r m e d a s s u r f a c e a c c u m u l a t i o n T h e c h a r g e d i s t r i b u t i o n a n d e q u i v a l e n t c i r c u i t i s s h o w n i n F i g u r e 2 7 I n a c c u m u l a t i o n t h e M O S s t r u c t u r e a p p e a r s l i k e a p a r a l l e l p l a t e c a p a c i t o r a n d t h e M O S c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a i s g i v e n b y O X O X O Xt C Ce= = ( 2 8 ) W h e r eO Xe i s t h e p e r m i t t i v i t y o f t h e o x i d e a n d O Xt i s t h e t h i c k n e s s o f t h e o x i d e F i g u r e 2 7 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o A c c u m u l a t i o n [ 1 2 ]

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1 6 2 1 2 2 S u r f a c e D e p l e t i o n ( VT < VG B < VF B ) I f t h e a p p l i e d v o l t a g e i s l e s s t h e n t h e F l a t b a n d v o l t a g e a n e g a t i v e c h a r g e i s i n d u c e d a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e p o l y s i l i c o n g a t e a n d t h e g a t e o x i d e T h i s l e a d s t o a p o s i t i v e c h a r g e b e i n g i n d u c e d a t t h e o t h e r i n t e r f a c e i e t h e o x i d e / s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e A s a r e s u l t t h e s u r f a c e o f t h e s e m i c o n d u c t o r i s d e v o i d o f a n y m o b i l e c a r r i e r s ( t h i s b e i n g a n t y p e s u b s t r a t e ) T h i s l a y e r a t t h e s u r f a c e i s t e r m e d a s t h e d e p l e t i o n l a y e r a s i t p r e v e n t s c a r r i e r s f r o m m o v i n g t o w a r d s t h e s e m i c o n d u c t o r o x i d e i n t e r f a c e C h a r g e d i s t r i b u t i o n u n d e r t h e s e c i r c u m s t a n c e s i s a s s h o w n i n F i g u r e 2 8 A s s e e n t h i s l a y e r c a n b e s a i d t o b e h a v e a s a n c a p a c i t o r h a v i n g a c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a ( CD ) w h i c h d e p e n d s o n VG B a n d i s g i v e n b y d S i DX Ce= ( 2 9 ) W h e r e s i i s t h e p e r m i t t i v i t y o f t h e s i l i c o n a n d Xd i s t h e d e p l e t e d s i l i c o n l a y e r t h i c k n e s s I t s h o u l d b e n o t e d f r o m t h e e q u a t i o n t h a t CD a n d Xd a r e f u n c t i o n o f t h e i n p u t v o l t a g e F i g u r e 2 8 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o D e p l e t i o n a n d E q u i v a l e n t C i r c u i t D i a g r a m [ 1 2 ]

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1 7 A c l o s e r l o o k a t t h e f i g u r e w i l l l e a d t o a n o t h e r c o n c l u s i o n t h a t o x i d e c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a ( CO X) a n d t h e d e p l e t e d s i l i c o n c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a ( CD) a r e c o n n e c t e d i n s e r i e s T h u s t h e c a p a c i t a n c e o f t h e M O S s t r u c t u r e i n t h e d e p l e t i o n r e g i m e i s g i v e n b y : O X D D O X O X D M O SC C C C C C d e p C / ) ( / 1 / 1 ) ( / 1 + = + = ( 2 1 0 ) 2 1 2 3 S u r f a c e I n v e r s i o n ( VT > VG B ) N o w c o n s i d e r a s c e n a r i o w h e r e t h e a p p l i e d g a t e v o l t a g e i s l o w e r e d b e l o w t h e t h r e s h o l d v o l t a g e T h e n u m b e r o f e l e c t r o n s d e c r e a s e s a s t h e a p p l i e d v o l t a g e d e c r e a s e s C o r r e s p o n d i n g l y t h e n u m b e r o f h o l e s i n c r e a s e s T h i s i s o w i n g t o t h e f a c t t h a t i n a M O S c a p a c i t o r i n d e p l e t i o n o r i n v e r s i o n t h e h o l e s a n d e l e c t r o n s a r e g e n e r a t e d i n t h e d e p l e t e d s i l i c o n s u r f a c e r e g i o n T h e h o l e s a r e a t t r a c t e d t o t h e S i / S i O2 i n t e r f a c e w h i l e t h e e l e c t r o n s a r e “ p u s h e d ” i n t o t h e s u b s t r a t e H o w e v e r t h e h o l e s c o u l d a l s o c o m e f r o m a p d o p e d r e g i o n t h a t i s i n c l o s e p r o x i m i t y t o t h e M O S c a p a c i t o r s u c h a s t h e s o u r c e / d r a i n r e g i o n o f a n M O S F E T T h u s a t a v o l t a g e l e s s t h e n t h e t h r e s h o l d v o l t a g e VT, t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e h o l e s a t t h e s u r f a c e f a r e x c e e d s t h e c o n c e n t r a t i o n o f e l e c t r o n s i n t h e b u l k T h e c o n d u c t i v i t y t y p e o f t h e s i l i c o n s u r f a c e i s i n v e r t e d F i g u r e 2 9 s h o w s t h e c h a r g e d i s t r i b u t i o n o f t h e M O S c a p a c i t o r i n i n v e r s i o n

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1 8 F i g u r e 2 9 C h a r g e D i s t r i b u t i o n i n a M O S C a p a c i t o r B i a s e d i n t o I n v e r s i o n [ 1 2 ] A f t e r s u r f a c e i n v e r s i o n t h e d e p l e t i o n l a y e r t h i c k n e s s r e a c h e s a m a x i m u m T h u s w h e n t h e g a t e v o l t a g e i s e q u a l t o t h e t h r e s h o l d v o l t a g e t h e d e p l e t e d l a y e r c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a r e a c h e s a m i n i m u m CD m i n a n d l i k e w i s e t h e M O S c a p a c i t a n c e T h i s c a p a c i t a n c e i s g i v e n b y O X D D O XC C C C i n v C + =m i n m i n m i n/ ) ( ( 2 1 1 ) 2 1 3 N o n I d e a l M O S C a p a c i t o r T h e w o r k f u n c t i o n o f t h e g a t e m a t e r i a l m i s n o t n e c e s s a r i l y s a m e a s t h e w o r k f u n c t i o n o f t h e s e m i c o n d u c t o r a n d a s a r e s u l t t h e r e i s a b u i l t i n p o t e n t i a l a c r o s s t h e g a t e o x i d e T h i s b u i l t i n p o t e n t i a l i s e q u a l t o t h e w o r k f u n c t i o n d i f f e r e n c e m s A v o l t a g e a p p l i e d t o t h e g a t e m u s t a c c o u n t f o r t h i s w o r k f u n c t i o n d i f f e r e n c e b e f o r e a n i n v e r s i o n l a y e r c a n b e e s t a b l i s h e d T h u s f o r a n o n i d e a l M O S C a p a c i t o r t h r e s h o l d v o l t a g e a s d e f i n e d b y e q u a t i o n 2 2 c h a n g e s t o

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1 9 O X O X O X B F M S tC Q C Q V F + =2f ( 2 1 2 ) w h e r e Qo x i s t h e o x i d e c h a r g e a n d i s e x p l a i n e d i n d e t a i l b e l o w T h e d i s c u s s i o n a b o u t t h e i d e a l M O S c a p a c i t o r a s s u m e d t h a t t h e r e w e r e n o o x i d e c h a r g e s i n t h e o x i d e r e g i o n I n a p r a c t i c a l M O S c a p a c i t o r i n t e r f a c e t r a p s a n d o x i d e c h a r g e s e x i s t a n d a f f e c t t h e i d e a l M O S c h a r a c t e r i s t i c s T h e s e c h a r g e s h a v e e n e r g y s t a t e s i n t h e f o r b i d d e n s i l i c o n b a n d g a p r e g i o n a n d a r e a b l e t o e x c h a n g e c h a r g e s w i t h t h e s i l i c o n i n a s h o r t t i m e T h e i n t e r f a c e t r a p c h a r g e i tQ c h a r g e s c a n p o s s i b l y b e p r o d u c e d b y e x c e s s s i l i c o n e x c e s s o x y g e n a n d i m p u r i t i e s T h e f i x e d o x i d e c h a r g e sfQ a r e l o c a t e d a t o r n e a r t h e i n t e r f a c e a n d a r e i m m o b i l e u n d e r a n a p p l i e d e l e c t r i c f i e l d T h e o x i d e t r a p p e d c h a r g e s o tQ c a n b e c r e a t e d b y h o t e l e c t r o n i n j e c t i o n T h e s e c h a r g e s a r e d i s t r i b u t e d i n s i d e t h e o x i d e l a y e r T h e m o b i l e i o n i c c h a r g e s mQ s u c h a s s o d i u m i o n s a r e m o b i l e w i t h i n t h e o x i d e u n d e r b i a s t e m p e r a t u r e a g i n g c o n d i t i o n s T h e p r e s e n c e o f o x i d e c h a r g e c a u s e s a v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e o x i d e w h i c h i s g i v e n b y o x s sC Q V = D ( 2 1 3 ) I n e q u a t i o n 2 1 2 s sQ i s t h e t o t a l o x i d e c h a r g e T h e e n t i r e C V c u r v e s h i f t s t o a m o r e n e g a t i v e v a l u e i f s sQ i s p o s i t i v e .

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2 0 F i g u r e 2 1 0 ( a ) A P l o t o f t h e H i g h F r e q u e n c y C a p a c i t a n c e V o l t a g e o f a M O S C a p a c i t o r w i t h D i f f e r e n t V a l u e s o f F i x e d O x i d e C h a r g e ( b ) T h e E f f e c t o f t h e I n t e r f a c e S t a t e s i s t o “ S m e a r ” o u t t h e C V C u r v e s A t y p i c a l s h i f t i n t h e C V c h a r a c t e r i s t i c i s d e p i c t e d i n F i g u r e 2 1 0 a T h e v a l u e o f s sQ c a n b e o b t a i n e d b y m e a s u r i n g t h e s h i f t w i t h r e s p e c t t o t h e c a l c u l a t e d i d e a l c u r v e S u c h m e a s u r e m e n t s a r e v e r y i m p o r t a n t f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e q u a l i t y o f M O S d e v i c e s T h e

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2 1 s h i f t i n t h e C V c u r v e i s d u e t o t h e f a c t t h a tmQ, fQ a n d o tQ a r e c o n s t a n t a n d i n d e p e n d e n t o f v o l t a g e T h e i n t e r f a c e c h a r g e h a s a s o m e w h a t d i f f e r e n t e f f e c t o n t h e C V c h a r a c t e r i s t i c s I n a n i d e a l s y s t e m t h e r e a r e n o e l e c t r o n s t a t e s a l l o w e d i n t h e b a n d g a p o f a s e m i c o n d u c t o r H o w e v e r s i n c e t h e 2S i O S i i n t e r f a c e i s n o t i d e a l a c e r t a i n d e n s i t y o f i n t e r f a c e s t a t e s a r e p r o d u c e d t h a t l i e i n t h e b a n d g a p r e g i o n I n c o n t r a s t t o t h e f i x e d c h a r g e t h e e l e c t r o n s c a n f l o w i n t o a n d o u t o f t h e s e i n t e r f a c e s t a t e s H o w e v e r t h e e l e c t r o n m o t i o n i s d e p e n d e n t u p o n t h e p o s i t i o n o f t h e f e r m i l e v e l T h e n a t u r e o f t h e i n t e r f a c e s t a t e s i s c h a r a c t e r i z e d a s e i t h e r “ a c c e p t o r l i k e ” o r “ d o n o r l i k e ” A n a c c e p t o r s t a t e i s n e u t r a l i f i t i s u n o c c u p i e d w h i c h o c c u r s i f t h e f e r m i l e v e l i s b e l o w t h e s t a t e A n a c c e p t o r s t a t e i s n e g a t i v e l y c h a r g e d i f i t i s o c c u p i e d w h i c h o c c u r s i f t h e f e r m i l e v e l i s a b o v e t h e s t a t e A d o n o r s t a t e i s n e u t r a l i f i t i s o c c u p i e d w h i c h o c c u r s i f t h e f e r m i l e v e l i s a b o v e t h e s t a t e A d o n o r s t a t e b e c o m e s p o s i t i v e l y c h a r g e d i f i t i s u n o c c u p i e d w h i c h o c c u r s i f t h e f e r m i l e v e l i s b e l o w t h e s t a t e A s a r e s u l t w h e n t h e p o s i t i o n o f t h e f e r m i l e v e l i s a l t e r e d t h e c h a r g e a t t h e i n t e r f a c e c h a n g e s a n d t h e v o l t a g e d r o p s W h e n t h e i n t e r f a c e c h a r g e i s p o s i t i v e t h e C V c u r v e s h i f t s t o w a r d s t h e n e g a t i v e v o l t a g e W h e n t h e i n t e r f a c e c h a r g e i s n e g a t i v e t h e c u r v e s h i f t s t o w a r d s t h e p o s i t i v e v o l t a g e s T h e a m o u n t o f s h i f t i s v o l t a g e d e p e n d e n t a n d i s d e p i c t e d s c h e m a t i c a l l y i n F i g u r e 2 1 0 b T h e c u r v e i s “ s m e a r e d o u t ” d u e t o t h e p r e s e n c e o f i n t e r f a c e s t a t e s

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2 2 2 2 M O S F E T 2 2 1 B a s i c S t r u c t u r e a n d P r i n c i p l e o f O p e r a t i o n o f t h e M O S F E T A M e t a l O x i d e S e m i c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r ( M O S F E T ) i s a f o u r t e r m i n a l d e v i c e T h e n c h a n n e l v e r s i o n o f t h e d e v i c e a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c i r c u i t s y m b o l a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 1 1 A s s h o w n i t c o n s i s t s o f a s o u r c e a n d a d r a i n t w o h i g h l y c o n d u c t i n g n t y p e s e m i c o n d u c t o r r e g i o n s w h i c h a r e i s o l a t e d f r o m t h e p t y p e s u b s t r a t e b y r e v e r s e d b i a s e d p n d i o d e s A m e t a l ( o r p o l y c r y s t a l l i n e ) g a t e c o v e r s t h e r e g i o n b e t w e e n s o u r c e a n d d r a i n b u t i s s e p a r a t e d f r o m t h e s e m i c o n d u c t o r b y t h e g a t e o x i d e F i g u r e 2 1 1 C r o s s S e c t i o n a n d C i r c u i t S y m b o l o f a n n c h a n n e l ( M O S F E T ) A s c a n b e s e e n t h e s o u r c e a n d d r a i n r e g i o n s a r e i d e n t i c a l w h e n n o v o l t a g e i s a p p l i e d I t i s t h e a p p l i e d v o l t a g e s w h i c h d e t e r m i n e w h i c h n t y p e r e g i o n p r o v i d e s t h e e l e c t r o n s a n d b e c o m e s t h e s o u r c e w h i l e t h e o t h e r n t y p e r e g i o n c o l l e c t s t h e e l e c t r o n s a n d b e c o m e s t h e d r a i n T h e v o l t a g e s a p p l i e d t o t h e d r a i n a n d g a t e e l e c t r o d e a s w e l l a s t o t h e s u b s t r a t e b y m e a n s o f a b a c k c o n t a c t a r e r e f e r r e d t o t h e s o u r c e p o t e n t i a l

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2 3 A c o n c e p t u a l l y s i m i l a r s t r u c t u r e w a s f i r s t p r o p o s e d a n d p a t e n t e d b y L i l i e n f e l d a n d H e i l [ 1 3 ] i n 1 9 3 0 T h e m a i n t e c h n o l o g i c a l p r o b l e m w a s t h e c o n t r o l a n d r e d u c t i o n o f t h e s u r f a c e s t a t e s a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e o x i d e a n d t h e s e m i c o n d u c t o r I n i t i a l l y i t w a s o n l y p o s s i b l e t o d e p l e t e a n e x i s t i n g n t y p e c h a n n e l b y a p p l y i n g a n e g a t i v e v o l t a g e t o t h e g a t e S u c h d e v i c e s h a v e a c o n d u c t i n g c h a n n e l b e t w e e n s o u r c e a n d d r a i n e v e n w h e n n o g a t e v o l t a g e i s a p p l i e d a n d a r e c a l l e d d e p l e t i o n m o d e d e v i c e s I n c o n t r a s t t h e r e a r e o t h e r s e t o f d e v i c e s w h i c h d o n o t h a v e a c o n d u c t i n g c h a n n e l u n l e s s a p o s i t i v e v o l t a g e i s a p p l i e d S u c h d e v i c e s a r e r e f e r r e d t o a s e n h a n c e m e n t m o d e d e v i c e s T h e e l e c t r o n s a t t h e o x i d e s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e a r e c o n c e n t r a t e d i n a t h i n ( ~ 1 0 n m t h i c k ) i n v e r s i o n l a y e r B y n o w m o s t M O S F E T s a r e e n h a n c e m e n t m o d e d e v i c e s F i g u r e 2 1 2 T o p V i e w o f M O S F E T A t o p v i e w o f t h e s a m e M O S F E T i s s h o w n i n F i g u r e 2 1 2 w h e r e t h e g a t e l e n g t h L, a n d g a t e w i d t h Z a r e i d e n t i f i e d N o t e t h a t t h e g a t e l e n g t h d o e s n o t e q u a l t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n o f t h e g a t e b u t r a t h e r t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e s o u r c e a n d d r a i n r e g i o n s

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2 4 u n d e r n e a t h t h e g a t e T h e o v e r l a p b e t w e e n t h e g a t e a n d t h e s o u r c e / d r a i n r e g i o n i s r e q u i r e d t o e n s u r e t h a t t h e i n v e r s i o n l a y e r f o r m s a c o n t i n u o u s c o n d u c t i n g p a t h b e t w e e n t h e s o u r c e a n d d r a i n r e g i o n T y p i c a l l y t h i s o v e r l a p i s m a d e a s s m a l l a s p o s s i b l e i n o r d e r t o m i n i m i z e i t s p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e T h e f l o w o f e l e c t r o n s f r o m t h e s o u r c e t o t h e d r a i n i s c o n t r o l l e d b y t h e v o l t a g e a p p l i e d t o t h e g a t e A p o s i t i v e v o l t a g e a p p l i e d t o t h e g a t e a t t r a c t s e l e c t r o n s t o t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e g a t e d i e l e c t r i c a n d t h e s e m i c o n d u c t o r T h e s e e l e c t r o n s f o r m a c o n d u c t i n g c h a n n e l b e t w e e n t h e s o u r c e a n d t h e d r a i n c a l l e d t h e i n v e r s i o n l a y e r N o g a t e c u r r e n t i s r e q u i r e d t o m a i n t a i n t h e i n v e r s i o n l a y e r a t t h e i n t e r f a c e s i n c e t h e g a t e o x i d e b l o c k s a n y c a r r i e r f l o w T h e n e t r e s u l t i s t h a t t h e c u r r e n t b e t w e e n d r a i n a n d s o u r c e i s c o n t r o l l e d b y t h e v o l t a g e w h i c h i s a p p l i e d t o t h e g a t e 2 2 2 C u r r e n t V o l t a g e C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M O S F E T T h e e l e c t r i c a l f u n c t i o n o f a M O S F E T i s t o c a r r y c u r r e n t b e t w e e n i t s s o u r c e a n d d r a i n t e r m i n a l d e p e n d i n g o n t h e a p p l i e d g a t e v o l t a g e A n y p r o p e r a n a l y s i s o f t h e M O S F E T r e q u i r e s t h a t c h a r g e f l o w i n t h e d e v i c e b e s t u d i e d i n t h r e e d i m e n s i o n s S e v e r a l m o d e l s h a v e b e e n p r o p o s e d t o f i n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e v i c e T h e s i m p l e s t m o d e l i s d i s c u s s e d h e r e T h i s m o d e l a s s u m e s t h a t t h e m o b i l i t y o f t h e e l e c t r o n i s c o n s t a n t a n d i n d e p e n d e n t o f t h e e l e c t r i c f i e l d T h i s i s a g o o d a s s u m p t i o n f o r t h e l o n g c h a n n e l M O S F E T T h e c o n d i t i o n f o r t h e n M O S F E T t o b e i n t h e c u t o f f r e g i o n w h e r e t h e c u r r e n t i s z e r o i s w h e nT S GV V V< -. W h e n t h e M O S F E T i s i n t h e c u t o f f r e g i o n t h e s o u r c e a n d d r a i n a r e e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d w i t h r e s p e c t t o o n e a n o t h e r W h e n o n a b i a s i s a p p l i e d b e t w e e n t h e s o u r c e a n d t h e d r a i n c u r r e n t f l o w s i n t h e c h a n n e l n e a r t h e S i S i O2 i n t e r f a c e T h e c h a r g e d e n s i t y i n t h e c h a n n e l i s c o n t r o l l e d b y t h e g a t e b i a s a s w e l l a s t h e

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2 5 s o u r c e d r a i n b i a s T h e r e f o r e t h e g a t e b i a s c a n m o d u l a t e t h e c u r r e n t f l o w i n t h e c h a n n e l I n o r d e r t o f i n d t h e c u r r e n t i n t h e d e v i c e a c o n s t a n t e l e c t r o n m o b i l i t y h a s b e e n a s s u m e d T h e c u r r e n t i s a s s u m e d t o b e d u e t o c a r r i e r d r i f t a n d i s g i v e n b y Z d x d V Q Is n n Dm= ( 2 1 4 ) w h e r e Qn i s t h e c h a r g e d u e t o e l e c t r o n s w i t h i n t h e i n v e r s i o n l a y e r a n d i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t o t a l s u r f a c e c h a r g e Qs a n d QB a f t e r s t r o n g i n v e r s i o n T h e c u r r e n t ,DI i s a s s u m e d c o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e c h a n n e l T h u s s n n DZ d V Q d x Im= ( 2 1 5 ) T h e i n t e g r a t i o n o f e q u a t i o n 2 1 4 t h r o u g h o u t t h e l e n g t h o f t h e d e v i c e g i v e s D S D S T G S o x n DV V V V L Z C I n r = 2m ( 2 1 6 ) E q u a t i o n ( 1 4 ) i s v a l i d f o r t h e d e v i c e b e f o r e p i n c h o f f I n t h e c a s e w h e n t h e d r a i n b i a s ,D SV i s m u c h l e s s t h a n T G SV V -, t h e c u r r e n t e q u a t i o n i s g i v e n b y ( )[ ]D S T G S o x n DV V V L Z C I =m ( 2 1 7 ) F o r v e r y s m a l l v a l u e s o f d r a i n b i a s t h e c u r r e n t i n c r e a s e s l i n e a r l y w i t h d r a i n b i a s b e c a u s e o f t h e L Z Co x nm f a c t o r i n e q u a t i o n 2 1 7 T h e r e f o r e i t i s d e f i n e d a s t h e l i n e a r r e g i o n A s t h e d r a i n v o l t a g e i s i n c r e a s e d t h e v o l t a g e a c r o s s t h e o x i d e d e c r e a s e s n e a r t h e d r a i n w h i c h f o r c e s nQ t o d e c r e a s e A s a r e s u l t t h e c h a n n e l b e c o m e s p i n c h e d o f f a t t h e d r a i n e n d a n d t h e c u r r e n t s a t u r a t e s T h e s a t u r a t i o n c o n d i t i o n i s g i v e n a p p r o x i m a t e l y b y T G S D SV V s a t V =) ( ( 2 1 8 )

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2 6 a n d ( ) [ ] 2 2 ) (T G S o x n DV V L Z C s a t I =m ( 2 1 9 ) T h e d r a i n c u r r e n t a t s a t u r a t i o n r e m a i n s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t f o r l a r g e r v a l u e s o f d r a i n v o l t a g e F i g u r e 2 1 3 C u r r e n t V o l t a g e C h a r a c t e r i s t i c s o f a M O S F E T F i g u r e 2 1 3 d e p i c t s t h e t y p i c a l I V c h a r a c t e r i s t i c s o f a M O S F E T [ 1 4 ] T h e d o t t e d l i n e s e p a r a t e s t h e t w o m a i n r e g i o n s o f o p e r a t i o n w h i c h a r e t h e l i n e a r a n d s a t u r a t i o n r e g i o n s 2 2 3 I m p o r t a n c e o f M O S F E T O n e o f t h e m a j o r a d v a n t a g e s o f t h i s t y p e o f F E T i n s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y i s t h a t i t a m p l i f i e s e l e c t r i c a l s i g n a l s T h e c u r r e n t g a i n i s m a d e p o s s i b l e o w i n g t o t h e f a c t t h a t n o g a t e c u r r e n t i s r e q u i r e d t o m a i n t a i n i n v e r s i o n l a y e r T h e d e v i c e t h e r e f o r e h a s a n i n f i n i t e c u r r e n t g a i n i n D C T h e v o l t a g e g a i n o f t h e M O S F E T i s c a u s e d b y t h e f a c t t h a t t h e c u r r e n t s a t u r a t e s a t h i g h e r d r a i n s o u r c e v o l t a g e s s o t h a t a s m a l l d r a i n c u r r e n t v a r i a t i o n c a n c a u s e a l a r g e d r a i n v o l t a g e v a r i a t i o n I n a d d i t i o n M O S F E T d e v i c e s e x h i b i t e x c e l l e n t s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c s o w i n g t o d i f f e r e n t r e g i o n o f o p e r a t i o n s M O S F E T c a n a l s o b e

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2 7 u s e d a s a r e s i s t o r R e s i s t o r c h a r a c t e r i s t i c s a r e o b t a i n e d b y p e r m a n e n t l y b i a s i n g t h e g a t e t e r m i n a l f o r c o n d u c t i o n T h e r a t i o o f t h e s o u r c e d r a i n v o l t a g e t o t h e c h a n n e l c u r r e n t t h e n d e t e r m i n e s t h e v a l u e o f r e s i s t a n c e A p a r t i c u l a r l y u s e f u l d e v i c e f o r d i g i t a l a p p l i c a t i o n s i s a c o m b i n a t i o n o f n c h a n n e l a n d p c h a n n e l M O S t r a n s i s t o r s o n a d j a c e n t r e g i o n s o f t h e c h i p S u c h a s e m i c o n d u c t o r d e v i c e i s t e r m e d a s C o m p l e m e n t a r y M O S ( o r C M O S ) T h e b a s i c c i r c u i t i s a n i n v e r t e r T h e b e a u t y o f t h i s c i r c u i t i s t h a t o n e o f t h e d e v i c e s i s t u r n e d i n e i t h e r c o n d i t i o n ( i n p u t 1 o r i n p u t 0 ) A s a r e s u l t C M O S s t r u c t u r e s g r e a t l y r e d u c e s p o w e r c o n s u m p t i o n H e n c e i t h a s f o u n d w i d e s p r e a d a c c e p t a n c e i n t h e d e s i g n o f h i g h d e n s i t y c o m p l e x d i g i t a l c i r c u i t s 2 3 N o n V o l a t i l e M e m o r y ( N V M ) N o n v o l a t i l e M e m o r y i s a d e v i c e i n t o w h i c h t h e d a t a c a n b e p r o g r a m m e d e l e c t r i c a l l y a n d w h i c h w i l l r e t a i n d a t a e v e n i n t h e a b s e n c e o f a p o w e r s u p p l y T h e b a s i c o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f t h e n o n v o l a t i l e m e m o r y d e v i c e s i s t h e s t o r a g e o f c h a r g e i n t h e g a t e i n s u l a t o r o f a M O S F E T T h i s h a s l e d t o t h e s u b d i v i s i o n o f d e v i c e s i n t o t w o g r o u p s n a m e l y t h e M I O S ( M e t a l I n s u l a t o r O x i d e S e m i c o n d u c t o r ) a n d t h e F G M O S ( F l o a t i n g G a t e M e t a l O x i d e S e m i c o n d u c t o r ) T h i s r e s e a r c h w o r k c o n c e n t r a t e s o n F G M O S w h i c h i s m o s t c o m m o n l y u s e d a s c o m p a r e d t o M I O S i n f l a s h m e m o r i e s T h e F G M O S F E T i s t h e b a s i c b u i l d i n g b l o c k o f t h e f l a s h m e m o r y c e l l [ 9 1 5 ] I n t h i s d e v i c e t h e c h a r g e s a r e i n j e c t e d f r o m t h e s i l i c o n a c r o s s t h e f i r s t i n s u l a t o r a n d s t o r e d i n t h e i n s u l a t o r o x i d e i n t e r f a c e o f t h e f l o a t i n g g a t e o f t h e F G M O S F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g t e c h n i q u e s c a n b e u s e d t o w r i t e a s w e l l a s e r a s e d a t a

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2 8 2 3 1 S t r u c t u r e o f a T y p i c a l F l o a t i n g G a t e D e v i c e T h e s c h e m a t i c c r o s s s e c t i o n o f a n F G d e v i c e i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 1 4 T h e t o p e l e c t r o d e a l s o k n o w n a s t h e c o n t r o l g a t e ( w o r d l i n e ) h a s a p r o v i s i o n f o r d i r e c t e l e c t r i c a l a c c e s s B e l o w t h e c o n t r o l g a t e i s t h e f l o a t i n g g a t e w h i c h i s c a p a c i t i v e l y c o u p l e d t o t h e c o n t r o l g a t e a n d t h e u n d e r l y i n g s i l i c o n G e n e r a l l y t h e f l o a t i n g g a t e i s s e p a r a t e d f r o m t h e F i g u r e 2 1 4 B a s i c S t r u c t u r e o f a T y p i c a l F G D e v i c e c o n t r o l g a t e b y a s t a c k e d O x i d e N i t r i d e O x i d e ( O N O ) d i e l e c t r i c E l e c t r i c a l a c c e s s t o t h e f l o a t i n g g a t e i s o n l y t h r o u g h c a p a c i t o r s 2 3 2 O p e r a t i o n C o n d i t i o n s T a b l e 1 s u m m a r i z e s t h e b i a s c o n d i t i o n s w h i c h i d e n t i f y t h e t h r e e o p e r a t i o n a l m o d e s o f a n I n d u s t r y S t a n d a r d c e l l T h e P r o g r a m ( W r i t e ) a n d E r a s e a n d R e a d o p e r a t i o n m o d e s a r e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s T a b l e 2 1 S o u r c e D r a i n a n d C o n t r o l G a t e B i a s e s f o r O p e r a t i o n o f a T y p i c a l F l a s h C a l l S O U R C E D R A I N C O N T R O L G A T E P R O G R A M G N D Vd d Vp p E R A S E Vc c F l o a t G N D R E A D G N D Vr e a d Vc c

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29 2.3.2.1 Write Operation Flash and EPROM implement hot electron injection to place charge on the floating gate during a WRITE. Figure 2.15 shows the cell bias condition during Program operation During a WRITE, a high programming voltage (Vpp) is placed on the control gate. This Figure 2.15 Flash Cell During a Write Operation [16] forces an inversion region to form in the p-type substrate. The drain voltage is increased to approximately half the control gate voltage while the source is grounded (0 volts), increasing the voltage drop between the drain and source as shown in Figure 2.15. With the inversion region formed, the current between drain and source increases. The resulting high electron flow from source to drain increases the kinetic energy of the electrons. This causes the electrons to gain enough energy to overcome the oxide barrier and collect on the floating gate. After the WRITE is completed, the negative charge on the floating gate raises the cells threshold voltage (VT) above the wordline logic 1 voltage. When a written cells wordline is brought to logic 1 during a READ, the cell will not turn on. The sense amps detect and amplify the cell current and output a 0 for a written cell.

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3 0 2 3 2 2 E r a s e O p e r a t i o n F l a s h e m p l o y s F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g t o r e m o v e c h a r g e f r o m t h e f l o a t i n g g a t e t o b r i n g i t t o t h e e r a s e d s t a t e U s i n g h i g h v o l t a g e s o u r c e e r a s e t h e s o u r c e i s b r o u g h t t o a h i g h v o l t a g e ( V P P ) t h e c o n t r o l g a t e g r o u n d e d ( 0 v o l t s ) a n d t h e d r a i n l e f t u n c o n n e c t e d a s s h o w n i n F i g u r e 2 1 6 T h e l a r g e p o s i t i v e v o l t a g e o n t h e s o u r c e a s c o m p a r e d t o t h e f l o a t i n g g a t e a t t r a c t s t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d e l e c t r o n s f r o m t h e f l o a t i n g g a t e t o t h e s o u r c e t h r o u g h t h e t h i n o x i d e B e c a u s e t h e d r a i n i s n o t c o n n e c t e d t h e E R A S E f u n c t i o n i s a m u c h l o w e r c u r r e n t p e r c e l l o p e r a t i o n t h a n a W R I T E t h a t u s e s h o t e l e c t r o n i n j e c t i o n A f t e r t h e E R A S E i s c o m p l e t e d t h e l a c k o f c h a r g e o n t h e f l o a t i n g g a t e l o w e r s t h e c e l l ’ s V T b e l o w t h e w o r d l i n e l o g i c 1 v o l t a g e W h e n a n e r a s e d c e l l ’ s w o r d l i n e i s b r o u g h t t o a l o g i c 1 d u r i n g a R E A D t h e t r a n s i s t o r w i l l t u r n o n a n d c o n d u c t m o r e c u r r e n t t h a n a w r i t t e n c e l l F i g u r e 2 1 6 E r a s e O p e r a t i o n E m p l o y i n g F o w l e r N o r d h e i m Tu n n e l i n g [ 1 6 ] S o m e f l a s h d e v i c e s u s e F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g f o r W R I T E s a s w e l l a s E R A S E s

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3 1 2 4 M O S D e v i c e S c a l i n g E a r l y t r a n s i s t o r s w e r e c r u d e b y t o d a y ’ s s t a n d a r d s h a v i n g c h a n n e l l e n g t h s o f g r e a t e r t h e n 1 0 u m g a t e o x i d e t h i c k n e s s g r e a t e r t h e n 1 0 0 n m a n d o p e r a t i n g a t 1 2 V A s a r e s u l t i n t e g r a t e d c i r c u i t s i n t h o s e t i m e s h a d a r o u n d 1 0 0 0 0 M O S t r a n s i s t o r s o n l y a n d o p e r a t e d a t f r e q u e n c i e s l e s s t h e n 1 M H z T o d a y h o w e v e r M O S t r a n s i s t o r s h a v e c h a n n e l l e n g t h s l e s s t h e n 0 1 u m g a t e o x i d e t h i c k n e s s l e s s t h e n 1 0 n m a n d o p e r a t e a t 3 3 V I n t e g r a t e d c i r c u i t s t o d a y u s e m o r e t h e n 3 m i l l i o n t r a n s i s t o r s a n d t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y i s m o r e t h e n 1 0 0 M H z T a b l e 1 s h o w s t h e p a s t t r e n d s i n t r a n s i s t o r s c a l i n g [ 1 7 ] : T a b l e 2 2 H i s t o r i c a l T r e n d s i n S c a l i n g 1 9 7 7 1 9 8 0 1 9 8 3 1 9 8 6 1 9 8 9 1 9 9 2 G a t e L e n g t h ( u m ) 3 2 1 5 1 1 0 7 0 6 C h a n n e l l e n g t h ( u m ) 2 1 5 1 2 0 9 0 6 0 4 G a t e O x i d e ( n m ) 7 0 4 0 2 5 2 5 2 0 1 5 J u n c t i o n D e p t h ( u m ) 0 6 0 4 0 3 0 2 5 0 2 0 0 1 5 G a t e D e l a y ( p s ) 8 0 0 3 5 0 2 5 0 2 0 0 1 6 0 9 0 M O S t e c h n o l o g y d i m e n s i o n s a r e b e i n g a g g r e s s i v e l y s c a l e d t o s u c h a p l a t e a u w h e r e d e v i c e p e r f o r m a n c e m u s t b e a c c e s s e d a g a i n s t f u n d a m e n t a l l i m i t s T h e e x p o n e n t i a l g r o w t h i n t h e l a s t t h r e e d e c a d e s h a s b e e n l a r g e l y d r i v e n b y t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n s a n d h a v e e n a b l e d a s t e a d y r e d u c t i o n i n M O S F E T d i m e n s i o n s H o w e v e r m o v i n g f u r t h e r s c a l i n g w i l l n o t b e a s r a m p a n t a s i t h a s b e e n i n t h e p a s t T h i s i s o w i n g t o t h e f a c t t h a t w h e n t h e d i m e n s i o n s o f a M O S F E T a r e s c a l e d d o w n b o t h t h e v o l t a g e l e v e l a n d t h e g a t e o x i d e t h i c k n e s s m u s t a l s o b e r e d u c e d F i g u r e 2 1 7 s h o w s t h e s c a l i n g t r e n d o f p o w e r s u p p l y v o l t a g e (Vd d) t h r e s h o l d v o l t a g e (VT) a n d g a t e o x i d e t h i c k n e s s (to x) a s a f u n c t i o n o f C M O S c h a n n e l l e n g t h [ 2 ] A s s e e n t h a t t h e p o w e r s u p p l y v o l t a g e h a s n o t b e e n d e c r e a s i n g a t a

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3 2 r a t e p r o p o r t i o n a l t o t h e c h a n n e l l e n g t h T h i s m e a n s t h a t t h e f i e l d h a s b e e n g r a d u a l l y r i s i n g o v e r t h e g e n e r a t i o n s b e t w e e n 1 m a n d 0 1 m c h a n n e l l e n g t h s T h e e f f e c t o f t h i s i n c r e a s e i n e l e c t r i c f i e l d i s n o t f e l t b e c a u s e t h i n n e r o x i d e s a r e s t i l l r e l i a b l e a t s u c h h i g h e l e c t r i c f i e l d t h u s a l l o w i n g o p e r a t i o n a t t h e r e d u c e d b u t n o n s c a l e d s u p p l y v o l t a g e s F i g u r e 2 1 7 P a s t T r e n d s i n S c a l i n g [ 2 ] T h e r e f o r e i t c a n b e s a i d t h a t a p o i n t w i l l b e r e a c h e d i n t h e n e a r f u t u r e a t w h i c h f u r t h e r g a i n s f r o m s c a l i n g o f t r a d i t i o n a l p l a n a r C M O S d e v i c e s w i l l b e v e r y d i f f i c u l t l i m i t e d b y

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3 3 l e a k a g e d u e t o d i r e c t t u n n e l i n g a n d s w i t c h i n g p o w e r c o n s i d e r a t i o n s F u r t h e r e x p a n s i o n i n t h e s p e c i a l i z a t i o n o f d e v i c e s t r u c t u r e s a n d d e s i g n p o i n t s w i l l p r o c e e d o v e r t h e n e x t f e w g e n e r a t i o n s o f C M O S w i t h i n c r e a s e d e m p h a s i s o n n e w m a t e r i a l s a n d s t r u c t u r e s A s o f n o w t h e T u n n e l o x i d e i n N V M h a s b e e n s c a l e d d o w n t o 8 n m.

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3 4 C h a p t e r 3 C h a r a c t e r i z a t i o n o f T h i n G a t e O x i d e 3 1 I n t r o d u c t i o n T h e m i c r o e l e c t r o n i c s i n d u s t r y o w e s a g r e a t d e a l o f i t s s u c c e s s t o t h e e x i s t e n c e o f t h e t h e r m a l o x i d e o f s i l i c o n i e s i l i c o n d i o x i d e ( S i O2) A t h i n l a y e r o f S i O2 f o r m s t h e i n s u l a t i n g l a y e r b e t w e e n t h e c o n t r o l g a t e a n d t h e c o n d u c t i n g c h a n n e l o f t h e t r a n s i s t o r s u s e d i n m o s t m o d e r n i n t e g r a t e d c i r c u i t s A l t h o u g h n o i n s u l a t o r i s i d e a l a m o r p h o u s S i O2, w i t h a b u l k r e s i s t i v i t y o f ~ 1 01 5 c m a n d d i e l e c t r i c b r e a k d o w n s t r e n g t h o f ~ 1 07 V / c m i s o n e o f t h e b e s t n a t u r e h a s p r o v i d e d [ 3 ] I t s u s e f u l n e s s i n s i l i c o n t e c h n o l o g y i s d u e t o t h e f a c t t h a t f i l m s o f t h i s m a t e r i a l c a n b e g r o w n b y t h e r m a l o x i d a t i o n o f c l e a n s i l i c o n s u r f a c e s a n d t h a t t h e r e s u l t i n g f i l m s c a n b e m a d e w i t h s u f f i c i e n t l y l o w d e n s i t i e s o f c h a r g e t r a p s I n a d d i t i o n t h e e n e r g y b a r r i e r ( c o n d u c t i o n b a n d d i s c o n t i n u i t y ) b e t w e e n S i a n d S i O2 i s 3 1 e V o n l y a b o u t 1 e V l o w e r t h a n t h e S i / v a c u u m b a r r i e r S i l i c o n d i o x i d e u n i q u e l y p o s s e s s e s t h e r e q u i r e d c o m b i n a t i o n o f s e v e r a l p r o p e r t i e s : g o o d m o b i l i t y o f h o l e s a n d e l e c t r o n s f l o w i n g i n s i l i c o n a t t h e s i l i c o n d i o x i d e i n t e r f a c e a b i l i t y t o k e e p e l e c t r o n i c s t a t e s ( s u r f a c e s t a t e s ) a t t h i s i n t e r f a c e l o w a n d e x c e l l e n t c o m p a t i b i l i t y w i t h C M O S p r o c e s s i n g C o n t i n u o u s d e v i c e s c a l i n g r e q u i r e s t h e c o n t i n u e d r e d u c t i o n o f t h e g a t e d i e l e c t r i c t h i c k n e s s T h i s n e e d s t o b e d o n e t o k e e p s h o r t c h a n n e l e f f e c t s u n d e r c o n t r o l T h e r e f o r e

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3 5 g a t e o x i d e t h i c k n e s s i s r e d u c e d a l m o s t i n t h e s a m e p r o p o r t i o n a s t h e c h a n n e l l e n g t h T h i s i s n e c e s s a r y i n o r d e r f o r t h e g a t e t o r e t a i n m o r e c o n t r o l o v e r t h e c h a n n e l t h a n t h e d r a i n F o r C M O S d e v i c e s w i t h c h a n n e l l e n g t h s o f 1 0 0 n m o r l e s s a n o x i d e t h i c k n e s s l e s s t h e n 3 n m i s n e e d e d [ 1 8 ] T h i s t h i c k n e s s c o m p r i s e s o n l y a f e w l a y e r s o f a t o m s O x i d e f i l m t h i s s m a l l n o l o n g e r a c t s a s a p e r f e c t b a r r i e r A l e a k a g e c u r r e n t d e p e n d e n t o n t h e a p p l i e d v o l t a g e a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e l e c t r i c f i e l d e x i s t s T h i s p h e n o m e n o n c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e Q u a n t u m m e c h a n i c a l t u n n e l i n g [ 1 9 ] A s t h e s i l i c o n d i o x i d e s c a l i n g r e a c h e s i t s f u n d a m e n t a l l i m i t s d i r e c t t u n n e l i n g e f f e c t s a r e m o r e f e l t n o w t h e n e v e r b e f o r e 3 2 C u r r e n t C o n d u c t i o n M e c h a n i s m T h e l i f e t i m e o f a p a r t i c u l a r g a t e o x i d e t h i c k n e s s i s d e t e r m i n e d b y t h e t o t a l a m o u n t o f c h a r g e t h a t f l o w s t h r o u g h t h e g a t e o x i d e b y l e a k a g e c u r r e n t I d e a l l y a n o x i d e d o e s n ’ t a l l o w c h a r g e t o p a s s t h r o u g h H o w e v e r t h i s i s n o t t h e c a s e w h e n t h e e l e c t r i c f i e l d s b e c o m e h i g h a n d t h e o x i d e b e c o m e s t h i n T h e r e a r e s e v e r a l m e c h a n i s m s t h a t a l l o w c h a r g e t o p a s s t h r o u g h t h e o x i d e F o r o x i d e l a y e r s t h i c k e r t h a n 6 n m t h e l e a k a g e c u r r e n t m e c h a n i s m i s e x p l a i n e d b y F o w l e r N o r d h e i m e l e c t r o n t u n n e l i n g i n M O S s t r u c t u r e s [ 2 0 ] O n t h e o t h e r h a n d t h e t u n n e l i n g i n t h e u l t r a t h i n o x i d e l a y e r s ( 2 5 n m ) a s a l r e a d y e x a m i n e d b y M a s e r j i a n i n 1 9 7 4 [ 2 1 ] h a s b e e n t e r m e d a s d i r e c t t u n n e l i n g

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3 6 3 2 1 T h e r m i o n i c E m i s s i o n F i g u r e 3 1 T h e r m i o n i c E m i s s i o n I n a c o n d u c t i n g m a t e r i a l t h e e l e c t r o n s a r e g o v e r n e d b y F e r m i D i r a c s t a t i s t i c s T h e b a s e l i n e e l e c t r o n e n e r g y i s t h e F e r m i E n e r g y a n d a t l o w t e m p e r a t u r e s t h e e l e c t r o n s a l l e x i s t a t o r b e l o w t h i s l e v e l A s t e m p e r a t u r e i s i n c r e a s e d s o t h e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n f o r t h e e l e c t r o n s d e v e l o p s a h i g h e n e r g y t a i l S o m e o f t h e s e e l e c t r o n s h a v e s u f f i c i e n t e n e r g y t o p a s s o v e r t h e s u r f a c e p o t e n t i a l b a r r i e r b e t w e e n t h e m a t e r i a l a n d t h e v a c u u m T h i s p r o c e s s o f i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e o f a b u l k m a t e r i a l t o i n c r e a s e t h e n u m b e r o f e l e c t r o n s w h i c h c a n l e a v e t h e m a t e r i a l i s c a l l e d t h e r m i o n i c e m i s s i o n T h e t h e r m i o n i c e m i s s i o n h a s a l s o b e e n o b s e r v e d i n m e t a l o x i d e s t r u c t u r e s 3 2 2 F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g i s a q u a n t u m m e c h a n i c a l t u n n e l i n g p r o c e s s w h e r e t h e e l e c t r o n s c a n p e n e t r a t e t h r o u g h t h e o x i d e b a r r i e r i n t o t h e c o n d u c t i o n b a n d o f t h e o x i d e ( F i g u r e 3 2 ) F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g i s d e p e n d e n t o n t h e v o l t a g e a c r o s s t h e g a t e EF Ec Ev a c

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3 7 o x i d e a n d i n c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h t h e a p p l i e d v o l t a g e I t c a n o c c u r i n m o s t a n y g a t e o x i d e p r o v i d e d t h e v o l t a g e i s s u f f i c i e n t f o r e l e c t r o n s t o t u n n e l t h r o u g h t h e b a r r i e r F i g u r e 3 3 s h o w s t h e F N t u n n e l i n g m e c h a n i s m f o r a p + p o l y S i / S i O2/ p S i s t r u c t u r e F i g u r e 3 2 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a n n + p o l y S i / S i O2/ n S i S t r u c t u r e i n C a s e o f F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g F i g u r e 3 3 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a p + p o l y S i / S i O2/ p S i S t r u c t u r e i n C a s e o f F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g Ef q V o x q V J F N p + p o l y S i S i O 2 p S i Ef t o x Ef q V o x q V J F N n + p o l y S i S i O 2 n S i Ef

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3 8 3 2 3 D i r e c t T u n n e l i n g D i r e c t t u n n e l i n g i s a l s o a q u a n t u m m e c h a n i c a l t u n n e l i n g p r o c e s s a s s h o w n i n F i g u r e 3 4 D i r e c t t u n n e l i n g i s a p h e n o m e n o n t h a t i s i m p o r t a n t t o u n d e r s t a n d i n u l t r a t h i n o x i d e s I t o c c u r s w h e n e l e c t r o n s t u n n e l t h r o u g h t h e g a t e o x i d e r e g i o n d i r e c t l y f r o m t h e g a t e t o t h e c h a n n e l r e g i o n a n d v i c e v e r s a D i r e c t t u n n e l i n g i s d e p e n d e n t o n t h e t h i c k n e s s o f t h e g a t e r e g i o n ; i t i n c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y a s t h e t h i c k n e s s o f t h e o x i d e d e c r e a s e s D i r e c t t u n n e l i n g i s r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t o f t h e e l e c t r i c f i e l d a c r o s s t h e g a t e o x i d e F i g u r e 3 4 E n e r g y B a n d D i a g r a m f o r a n n + p o l y S i / S i O2/ n S i S t r u c t u r e i n C a s e o f D i r e c t T u n n e l i n g T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g ( F N T ) a n d d i r e c t t u n n e l i n g ( D T ) o f e l e c t r o n s i s d e t e r m i n e d b y t h e s h a p e o f t h e t u n n e l b a r r i e r I f t h e o x i d e t u n n e l b a r r i e r i s t r i a n g u l a r F N T o c c u r s w h i l e D T t a k e s p l a c e t h r o u g h t r a p e z o i d a l b a r r i e r T h e t r a n s i t i o n f r o m F N T t o D T o c c u r s i f t h e d i f f e r e n c e i n p o t e n t i a l e n e r g y o v e r t h e o x i d e l a y e r q V o x b e c o m e s s m a l l e r t h a n t h e b a r r i e r h e i g h t a t t h e i n j e c t i n g i n t e r f a c e n + p o l y S i S i O 2 n S i q V q V o x J D Ef Ef

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3 9 3 2 4 A n a l y t i c a l E x p r e s s i o n s f o r t h e T u n n e l C u r r e n t s F o r a s i m p l i f i e d m e t a l s e m i c o n d u c t o r o r h e t e r o j u n c t i o n o r a b a n d t o b a n d t r a n s i t i o n c a n b e a p p r o x i m a t e d b y a t r i a n g u l a r p o t e n t i a l b a r r i e r F o r a t r i a n g u l a r p o t e n t i a l b a r r i e r a s s h o w n F i g u r e 3 5 t h e t u n n e l i n g p r o b a b i l i t y Tt c a n b e g i v e n b y W K B a p p r o x i m a t i o n ( W e n t z e l K r a m e r B r i l l o u i m m e t h o d ) a s s h o w n b e l o w : n =2 1) ( 2 e x px x td x x k T ( 3 1 ) w h e r e ) ( x ki s t h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e w a v e v e c t o r o f t h e c a r r i e r i n t h e b a r r i e r a n d x1 a n d x2 a r e t h e c l a s s i c a l t u r n i n g p o i n t s a s s h o w n i n t h e f i g u r e b e l o w : F i g u r e 3 5 T r i a n g u l a r P o t e n t i a l B a r r i e r T h e v a l u e o f k c a n b e f o u n d f r o m t h e c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y a n d m o m e n t u m w h i c h i s j u s t i f i e d o n l y i n t h e t u n n e l i n g p r o c e s s a n d i s g i v e n b y [ ]E U m k h = 2 2 2 ( 3 2 ) w h e r e E i s t h e e l e c t r o n e n e r g y a n d U t h e p o t e n t i a l e n e r g y a n d i s g i v e n b y Ef W b x1 F x2 E M E T A L S i O2 x

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4 0 q F X W U = f o r x > 0 ( 3 3 ) w h e r e F i s t h e e l e c t r i c f i e l d R e p l a c i n g t h i s v a l u e o f U i n e q u a t i o n 3 2 g i v e s t h e v a l u e f o r k B y s u b s t i t u t i n g t h i s v a l u e o f k i n e q u a t i o n 3 1 t u n n e l i n g p r o b a b i l i t y c a n b e r e w r i t t e n a s ( ) ( ) n = F E W h m Tt 2 / 3 2 / 1 22 3 4 e x p ( 3 4 ) T h e t u n n e l i n g c u r r e n t d e n s i t y JF N i n a t h r e e d i m e n s i o n a l l a t t i c e f r o m t h e n t y p e S i a c c u m u l a t i o n l a y e r t o p o l y S i g a t e o r f r o m t h e g a t e e l e c t r o d e t o t h e a c c u m u l a t i o n l a y e r o f p S i c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e e q u a t i o n b e l o w z y x x td P d P d P V T h q J =32 ( 3 5 ) w h e r e Vx i s t h e v e l o c i t y d u e t o e l e c t r o n s i n t h e x d i r e c t i o n R e p l a c i n g t h e t u n n e l i n g p r o b a b i l i t y Tt a s d e s c r i b e d i n e q u a t i o n 3 4 i n 3 5 i t c a n b e s h o w n t h a t n = F B A F JF Ne x p2 ( 3 6 ) w h e r e bh q Af p2 31 6= a n d 2 / 3 2 / 1) 2 ( 3 4b o xq h m Bf= T h e s e a r e t w o b a s i c p a r a m e t e r s f o r t h e g a t e o x i d e t u n n e l c u r r e n t c a l c u l a t i o n a n d t h e p a r a m e t e r s A a n d B d e p e n d o n t h e t u n n e l b a r r i e r h e i g h t Fb a n d t h e e f f e c t i v e m a s s o f t h e t u n n e l i n g e l e c t r o n mo x a n d c a n b e d e r i v e d f r o m a F N p l o t o f 1 n ( JF N / F F ) v s 1 / F T h e s l o p e o f t h i s s t r a i g h t l i n e g i v e s B w h i l e A i s d e t e r m i n e d f r o m t h e i n t e r c e p t

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41 It is clear from these relationships that operating a CMOS device at voltages greater than foundry specification results in an exponential increase in the amount of oxide current. Once electrons have breached the oxide potential barrier they are accelerated through the oxide by the electric field which is determined by the applied voltage and the oxide thickness. Charge accelerated in the gate oxide achieves greatest energy at the oxidesilicon interface presuming there have been no collisions in transit. At the end of its travel through the oxide, it deposits its energy at the oxide-silicon interface. Making these equations as the basis of the analytical part of this research work, results are presented in the following chapter. In the case of direct tunneling the current density, where the potential barrier takes a rectangular shape, is given by [22] () () r b t n f --* b t n f -b t n n f =f s oxs s s ox s s s ox s DE V qV F B qV AF J2/3 2/1 2/1 2/3 2/3 2/3 2 2/1 22 3 exp1 exp 1f ff f ff f f (3.7) 3.3 Dielectric Breakdown The reliability of SiO2 in microelectronics, i.e., the ability of a thin film of this material to retain its insulating properties while subjected to high electric fields for many years, has always been a concern and has been the subject of numerous publications over the last 3540 years, ever since the realization that SiO2 could be used as an insulating and passivating layer in silicon-based transistors [23, 24]. The gate leakage current causes

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4 2 i n c r e a s e d p o w e r c o n s u m p t i o n a n d m a y a f f e c t d e v i c e a n d c i r c u i t f u n c t i o n a l i t y T h u s t h e l e a k a g e c u r r e n t i m p o s e s a p r a c t i c a l l i m i t o n o x i d e t h i c k n e s s T h e c u r r e n t f l o w i n g t h r o u g h a n u l t r a t h i n g a t e o x i d e i s n o t m e r e l y a n u i s a n c e p a r a s i t i c b u t a l s o c a u s e s r e l i a b i l i t y p r o b l e m s b y l e a d i n g t o l o n g t e r m p a r a m e t e r s h i f t s ( w e a r o u t ) a n d e v e n t u a l l y t o o x i d e b r e a k d o w n 3 3 1 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n (T D D B) T h e t i m e d e p e n d e n t n a t u r e o f t h e b r e a k d o w n o r T D D B i s o n e o f t h e m o s t h e a v i l y r e s e a r c h e d f a i l u r e m e c h a n i s m s i n t h e s e m i c o n d u c t o r r e l i a b i l i t y c o m m u n i t y S i n c e t h e 1 9 6 0 s r e s e a r c h e r s h a v e s t r u g g l e d t o u n d e r s t a n d t h e n a t u r e o f h o w a n o x i d e d e g r a d e s o v e r t i m e [ 2 5 ] B y d e f i n i t i o n T D D B i s w e a r o u t o f t h e i n s u l a t i n g p r o p e r t i e s o f s i l i c o n d i o x i d e i n t h e C M O S g a t e l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f a c o n d u c t i n g p a t h t h r o u g h t h e o x i d e t o t h e s u b s t r a t e W i t h a c o n d u c t i n g p a t h b e t w e e n t h e g a t e a n d t h e s u b s t r a t e i t i s n o l o n g e r p o s s i b l e t o c o n t r o l c u r r e n t f l o w b e t w e e n t h e d r a i n a n d s o u r c e b y m e a n s o f t h e g a t e e l e c t r i c f i e l d T D D B l i f e t i m e i s s t r o n g l y a f f e c t e d b y t h e n u m b e r o f d e f e c t s i n t h e g a t e o x i d e p r o d u c e d d u r i n g w a f e r f a b r i c a t i o n T h e r e f o r e f o u n d r i e s s t r i v e t o p r o d u c e a n u l t r a c l e a n o x i d e i n t h e i r p r o c e s s t o m a x i m i z e t h e T D D B l i f e t i m e E v e n i f a f o u n d r y c o u l d p r o d u c e a p e r f e c t l y d e f e c t f r e e o x i d e T D D B w o u l d r e m a i n a c o n c e r n f o r A S I C ( A p p l i c a t i o n S p e c i f i c I n t e g r a t e d C i r c u i t ) d e s i g n e r s T D D B o c c u r s a t a l l g a t e v o l t a g e b i a s c o n d i t i o n s T h e g o a l o f t h e f o u n d r y i s t o t r a d e o f f g a t e o x i d e t h i c k n e s s w i t h o p e r a t i n g v o l t a g e s p e c i f i c a t i o n s t o a c h i e v e b o t h s p e e d a n d l i f e t i m e t a r g e t s f o r t h e t e c h n o l o g y T h e

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4 3 l i f e t i m e o f a p a r t i c u l a r g a t e o x i d e t h i c k n e s s i s d e t e r m i n e d b y t h e t o t a l a m o u n t o f c h a r g e t h a t f l o w s t h r o u g h t h e g a t e o x i d e b y l e a k a g e c u r r e n t 3 3 2 D i e l e c t r i c B r e a k d o w n M o d e l s T h e e s s e n t i a l e l e m e n t s o f o u r p r e s e n t u n d e r s t a n d i n g o f o x i d e w e a r o u t a n d b r e a k d o w n a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 6 T h e f i g u r e r e p r e s e n t s o u t l i n e o f t h e m e c h a n i s m o f d e f e c t g e n e r a t i o n l e a d i n g t o b r e a k d o w n i n S i O2. T h e g a t e v o l t a g e c a u s e s e n e r g e t i c e l e c t r o n s t o f l o w a c r o s s t h e o x i d e l e a d i n g t o a b u i l d u p o f d a m a g e i n t h e f o r m o f m i c r o s c o p i c d e f e c t s w h i c h a c t a s e l e c t r o n t r a p s W h e n s u f f i c i e n t d e f e c t d e n s i t y i s r e a c h e d t h e o x i d e n o l o n g e r a c t s a s a g o o d i n s u l a t o r E l e c t r o n s f l o w i n g a c r o s s t h e o x i d e t r i g g e r s e v e r a l p r o c e s s e s d e p e n d i n g o n t h e i r e n e r g y w h i c h i s d e t e r m i n e d b y t h e g a t e v o l t a g e f o r t h i n o x i d e s A t l e a s t t h r e e d e f e c t g e n e r a t i o n m e c h a n i s m s h a v e b e e n i d e n t i f i e d : i m p a c t i o n i z a t i o n a n o d e h o l e i n j e c t i o n a n d t r a p c r e a t i o n p r o c e s s a t t r i b u t e d t o h y d r o g e n r e l e a s e f r o m t h e a n o d e T h e s e m o d e l s f o r m t h e b a s i s o f t h e d i f f e r e n t a n a l y s i s a n d t e s t s R e l i a b i l t y e n g i n e e r s p e r f o r m t o c h e c k d e v i c e p e r f o r m a n c e

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4 4 F i g u r e 3 6 O u t l i n e o f t h e M e c h a n i s m o f D e f e c t G e n e r a t i o n L e a d i n g t o B r e a k d o w n o f S i O2 [ 2 6 ] 3 3 2 1 B a n d g a p I o n i z a t i o n M o d e l s D i M a r i a ( I B M M i c r o e l e c t r o n i c s ) d e v e l o p e d t h e B a n d g a p I o n i z a t i o n i n t h e e a r l y 1 9 9 0 s [ 2 7 ] H e p o s t u l a t e d t h a t w h e n t h e e n e r g y o f a n e l e c t r o n a p p r o a c h e s t h e e n e r g y o f a b a n d g a p ( ~ 9 e V ) e l e c t r o n h o l e p a i r s c a n b e g e n e r a t e d t h a t c a u s e d e f e c t s i n t h e o x i d e T h i s p r o c e s s o c c u r s i n d i e l e c t r i c s t h i c k e r t h a n ~ 2 0 n m a t f i e l d s h i g h e r t h a n ~ 7 M V / c m a n d i s a s s o c i a t e d w i t h t h e h i g h e n e r g y t a i l s o f t h e e l e c t r o n d i s t r i b u t i o n A l t h o u g h t h i s m o d e l w a s p o p u l a r i n t h e e a r l y t o m i d 1 9 9 0 s i t i s n o t i n w i d e u s e t o d a y S o o n a f t e r w a r d r e s e a r c h e r s b e g a n r e p o r t i n g d a t a o n u l t r a t h i n o x i d e s t h a t c o u l d n o t b e r e c o n c i l e d w i t h t h e

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4 5 B a n d g a p I o n i z a t i o n m o d e l W h i l e t h e m o d e l i s v a l i d f o r t h i c k e r o x i d e s i t i s n o t a s v a l i d f o r u l t r a t h i n o x i d e s 3 3 2 2 A n o d e H o l e I n j e c t i o n M o d e l S c h u e g r a f a n d H u d e v e l o p e d t h e C l a s s i c A n o d e H o l e I n j e c t i o n M o d e l i n t h e m i d 1 9 9 0 s [ 2 8 ] T h e C l a s s i c A n o d e H o l e I n j e c t i o n M o d e l c o m m o n l y c a l l e d t h e 1 / E m o d e l w a s t h e s o u r c e o f s o m e c o n t r o v e r s y i n t h e l a t e 1 9 9 0 s a s r e s e a r c h e r s s i d e d e i t h e r i t o r w i t h t h e T h e r m o c h e m i c a l ( E ) m o d e l S c h u e g r a f a n d H u p o s t u l a t e d t h a t a f r a c t i o n o f t h e e l e c t r o n s e n t e r i n g t h e a n o d e h a v e e n o u g h e n e r g y t o c r e a t e a “ h o t ” h o l e w h i c h c a n t u n n e l b a c k i n t o t h e o x i d e T h e s e h o l e s t h e n i n t u r n c r e a t e d e f e c t s i n t h e o x i d e T h e i r e q u a t i o n m o d e l i n g t h e p r o c e s s p r e d i c t s a 1 / E d e p e n d e n c y h e n c e t h e n a m e 1 / E ( s e e e q u a t i o n b e l o w ) S o m e r e s e a r c h e r s h a v e s u g g e s t e d b a s e d o n b o t h t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e t h a t s i g n i f i c a n t i n j e c t i o n a n d t r a p p i n g o f a n o d e h o l e s d o e s n o t o c c u r u n t i l t h e e l e c t r o n o b t a i n s a s u f f i c i e n t l y h i g h e n e r g y ( ~ 7 6 e V ) i n t h e a n o d e R e c e n t s t u d i e s u s i n g i m p r o v e d m o d e l s f o r i m p a c t i o n i z a t i o n s u g g e s t t h a t a n o d e h o l e i n j e c t i o n c a n o c c u r a t l o w e n e r g i e s a n d t h a t t h e d e p e n d e n c e o f a n o d e h o l e i n d u c e d b r e a k d o w n o n v o l t a g e i s l i n e a r H o w e v e r t h e r e a r e n o k n o w n s t u d i e s c o n c l u s i v e l y s h o w i n g t h a t a n o d e i n j e c t e d h o l e s a t l o w v o l t a g e a r e t r a p p e d i n t h e o x i d e a n d l e a d t o b r e a k d o w n 3 3 2 3 H y d r o g e n R e l e a s e M o d e l D i M a r i a a n d h i s c o l l e a g u e s d e v e l o p e d T h e H y d r o g e n R e l e a s e M o d e l a f t e r p h y s i c a l l y o b s e r v i n g t h e b e h a v i o r a n d p r o p e r t i e s o f t h e o x i d e s d u r i n g a n d a f t e r s t r e s s [ 2 9 ] D i M a r i a ( a n d o t h e r s ) o b s e r v e d h y d r o g e n r e l e a s e a n d b u i l d u p a f t e r s t r e s s i n g v a r i o u s o x i d e

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46 structures. He postulated that energetic electrons create oxide damage by interacting with the oxide lattice itself or with a secondary species such as hydrogen. Based on data taken at IBM he determined that hydrogen release requires electrons with energy levels of at least 5 eV in the anode, and 2 eV in the oxide. 3.4 Reliability Reliability engineers also study the statistics associated with the oxide breakdown. There have been many models proposed but the most commonly models referred to for analysis are Percolation or Spheres model of breakdown [30] and Weibull distribution [31]. A detailed explanation of these models and reliability projections is beyond the scope of this research work. Breakdown is generally understood to be the result of a gradual and predictable buildup of defects such as electron traps in the oxide, but the precise point at which breakdown occurs is statistically distributed so that only statistical averages can be predicted. The rate of defect generation in the oxide is proportional to the current density flowing through it, and therefore the reliability margin for gate-oxide breakdown has been drastically reduced as a consequence of device scaling. At present, predicted reliability limits for the gate-oxide thickness range from less than 1.5 nm to 2.8 nm. Dielectric breakdown occurs by two mechanisms: extrinsic or intrinsic failure. Extrinsic failures occur with a decreasing failure rate over time and are caused by process defects such as metallic, organic, or other contaminants on the crystalline silicon surface, and by surface roughness. Most extrinsic failures occur early in the lifetime of a device and can cause

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4 7 s i g n i f i c a n t r e l i a b i l i t y p r o b l e m s a s t h e n u m b e r o f d i e l e c t r i c f a i l u r e s e x c e e d a p r e d e f i n e d s p e c i f i c a t i o n F a i l u r e r a t e s g e n e r a t e d e x t r i n s i c a l l y c a n b e r e d u c e d b y a p p l y i n g a b u r n i n o r v o l t a g e s c r e e n i n g p r o c e s s t o t h e d e v i c e s T h e f a i l u r e s a r e a c c e l e r a t e d a t e l e v a t e d v o l t a g e s a n d t e m p e r a t u r e s T h e s e p r o c e d u r e s s c r e e n o u t d i e l e c t r i c d e f e c t s b e f o r e t h e p r o d u c t i s s h i p p e d t h e r e b y c o n t a i n i n g e a r l y l i f e f a i l u r e r a t e s w i t h i n p r o d u c t s p e c i f i c a t i o n s M i n i m i z i n g e x t r i n s i c d e f e c t s i n a p r o c e s s a n d r e d u c i n g d i e l e c t r i c f a i l s e a r l y i n t h e l i f e c y c l e o f a p r o d u c t i s i m p o r t a n t f o r p r o c e s s i n g u l t r a t h i n g a t e d i e l e c t r i c s I t i s a l s o c r i t i c a l t h a t r e l i a b i l i t y t e s t i n g d e t e c t s y s t e m a t i c a n d / o r r a n d o m t y p e s o f p r o c e s s i n d u c e d d e f e c t s t h a t m a y c o n t r i b u t e t o a n i n c r e a s e i n n u m b e r o f d i e l e c t r i c f a i l u r e s I n f u l l s c a l e p r o d u c t m a n u f a c t u r i n g i n l i n e m o n i t o r i n g o f b o t h y i e l d a n d r e l i a b i l i t y e n s u r e s t h e t i g h t p r o c e s s c o n t r o l o f d e f e c t s t o m i n i m i z e t h e d e v i c e a n d / o r c h i p f a i l u r e s T h e s e c o n d t y p e o f f a i l u r e f o r a t h i n g a t e d i e l e c t r i c s o m e t i m e s r e f e r r e d t o a s w e a r o u t i s i n t r i n s i c t o t h e m a t e r i a l I n t r i n s i c f a i l u r e s o c c u r w i t h a n i n c r e a s i n g f a i l u r e r a t e o v e r t i m e a n d a r e u s u a l l y c a u s e d b y a n i n h e r e n t i m p e r f e c t i o n i n t h e d i e l e c t r i c m a t e r i a l I t i s e s s e n t i a l t h a t t h e s e f a i l s d o n o t o c c u r d u r i n g t h e i n t e n d e d u s e f u l l i f e t i m e o f t h e d e v i c e w h e n i t i s o p e r a t i n g u n d e r s p e c i f i e d c o n d i t i o n s T h e i n t r i n s i c f a i l u r e o f u l t r a t h i n g a t e d i e l e c t r i c h a s b e e n t h e s u b j e c t o f i n t e n s i v e r e s e a r c h T h e p r o c e s s o f i n t r i n s i c d e g r a d a t i o n i n g a t e d i e l e c t r i c b e g i n s w i t h t r a p c r e a t i o n a n d f o r m a t i o n o f i n t e r f a c e s t a t e s a s t h e d e v i c e g a t e d i e l e c t r i c i s s t r e s s e d a t e l e v a t e d v o l t a g e s a n d t e m p e r a t u r e s T h e c r e a t i o n o f t h e s e d e f e c t s c o n t i n u e s w i t h t h e i n j e c t e d c u r r e n t ( a n d t h e r e f o r e t i m e ) u n t i l t h e d e f e c t d e n s i t y r e a c h e s a c r i t i c a l v a l u e a f t e r w h i c h d i e l e c t r i c b r e a k d o w n o c c u r s P a r a m e t e r s t h a t a f f e c t w h e n a n d

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4 8 h o w t h e d i e l e c t r i c b r e a k d o w n o c c u r s i n c l u d e t h e a p p l i e d s t r e s s v o l t a g e t e m p e r a t u r e d i e l e c t r i c t h i c k n e s s d e v i c e d i e l e c t r i c a r e a a n d i n t r i n s i c d i e l e c t r i c l i f e t i m e 3 4 1 R e l i a b i l t y P r o j e c t i o n s F i g u r e 3 7 s h o w s v a r i o u s o x i d e r e l i a b i l i t y p r o j e c t i o n s f r o m d i f f e r e n t r e s e a r c h g r o u p s P l o t t e d i n t h i s f i g u r e i s t h e m a x i m u m a l l o w a b l e v o l t a g e t h a t c a n b e a p p l i e d t o t h e t o t a l g a t e a r e a o n a c h i p s u c h t h a t n o m o r e t h a n a s p e c i f i e d f a i l u r e r a t e w i l l r e s u l t T h e f a i l u r e r a t e i n t h i s c a s e i s d e f i n e d a s t h e f r a c t i o n o f c h i p s w h i c h w i l l e x p e r i e n c e o n e o r m o r e o x i d e b r e a k d o w n e v e n t s A s c a n b e a s c e r t a i n e d f r o m t h i s f i g u r e t h e r e r e m a i n s c o n s i d e r a b l e d i s a g r e e m e n t a m o n g l a b o r a t o r i e s r e g a r d i n g t h i s r e l i a b i l i t y l i m i t f o r S i O2. T h e v a r i o u s p r o j e c t i o n s i n t h i s f i g u r e a r e c o m p a r e d t o t h e l a t e s t i n t e r n a t i o n a l r o a d m a p f o r t h e o p e r a t i n g v o l t a g e a n d p h y s i c a l o x i d e t h i c k n e s s N o t e t h a t v a r i o u s l a b o r a t o r i e s m a y u s e d i f f e r e n t m e t h o d s t o d e t e r m i n e t h e o x i d e t h i c k n e s s w h i c h c a n p r o d u c e r e s u l t s v a r y i n g b y a s m u c h a s 0 4 n m A s a r u l e o f t h u m b a f a c t o r o f 1 0 c h a n g e i n a n y r e l i a b i l i t y c r i t e r i o n ( e g l i f e t i m e f a i l u r e r a t e d e v i c e a r e a ) r e s u l t s i n ~ 0 1 n m c h a n g e i n t h e m i n i m u m to x f o r a g i v e n s u p p l y v o l t a g e I t i s c l e a r t h a t t h e r e i s n o a g r e e m e n t a t t h e p r e s e n t t i m e r e g a r d i n g t h e c o r r e c t o x i d e r e l i a b i l i t y e x t r a p o l a t i o n W h i l e a l l o f t h e e s t i m a t e s f o r t h e m i n i m u m to x a r e r a t h e r c l o s e l y c l u s t e r e d i n t h e 1 5 – 2 5 n m r a n g e t h i s i s p r e c i s e l y t h e r a n g e o f i n t e r e s t f o r t h e i n d u s t r y r o a d m a p a n d i t r e p r e s e n t s a l a r g e v a r i a t i o n i n d e v i c e p e r f o r m a n c e a n d c i r c u i t d e n s i t y T h u s t h e s i t u a t i o n i s c o m p l i c a t e d b y t h e f a c t t h a t n e i t h e r a w o r s t c a s e o r a b e s t c a s e o u t l o o k c a n b e a d o p t e d s a f e l y T h e w o r s t c a s e s c e n a r i o a p p e a r s t o b e u n a c c e p t a b l e f r o m a

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4 9 1 9 9 9 I T R S r o a d m a p R e f [ 3 2 ] ( 2 5oC ) R e f [ 3 4 ] ( 2 5oC ) R e f [ 3 5 ] ( 1 0 0oC ) R e f [ 3 3 ] 2 5oC 1 0 0oC F i g u r e 3 7 O x i d e R e l i a b i l i t y P r o j e c t i o n s b y D i f f e r e n t L a b s t e c h n o l o g i c a l a n d e c o n o m i c p e r s p e c t i v e a n d t h e b e s t c a s e s c e n a r i o i s r i s k y b e c a u s e e v e n i n t h i s c a s e t h e r e a r e n o m a r g i n f o r e r r o r T h u s i t a p p e a r s t h a t t h e t r a d i t i o n a l m e t h o d o f a s s e s s i n g o x i d e r e l i a b i l i t y b y o b s e r v i n g t h e b r e a k d o w n t i m e d u r i n g a n a c c e l e r a t e d s t r e s s e x p e r i m e n t a n d e x t r a p o l a t i n g t h i s t o o p e r a t i o n c o n d i t i o n s u s i n g p h y s i c a l o r e m p i r i c a l m o d e l s m a y n o l o n g e r b e a d e q u a t e t o c o n v i n c i n g l y e n s u r e t h e l o n g t e r m r e l i a b i l i t y o f p r o d u c t s b a s e d o n C M O S c i r c u i t s I t h a s t h e r e f o r e b e c o m e n e c e s s a r y t o l o o k i n m o r e d e t a i l a t t h e n a t u r e o f t h e b r e a k d o w n e v e n t a n d t h e b e h a v i o r o f d e v i c e s a n d c i r c u i t s a f t e r o x i d e f a i l u r e

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5 0 C h a p t e r 4 D e t e r m i n a t i o n a n d E x t r a c t i o n o f P a r a m e t e r B 4 1 I n t r o d u c t i o n T h e F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g i n j e c t i o n m e c h a n i s m i s w i d e l y u s e d i n N V M p a r t i c u l a r l y i n E E P R O M T h e r e a r e t h r e e m a i n r e a s o n s f o r t h i s c h o i c e : f i r s t t u n n e l i n g i s a p u r e e l e c t r i c a l m e c h a n i s m ; s e c o n d t h e i n v o l v e d c u r r e n t l e v e l i s q u i t e l o w a n d t h u s a l l o w s t h e i n t e r n a l g e n e r a t i o n o f s u p p l y v o l t a g e s n e e d e d f o r a l l o p e r a t i o n s ; t h i r d i t a l l o w s o n e t o o b t a i n t h e t i m e t o p r o g r a m ( 1 m s ) 1 2 o r d e r s o f m a g n i t u d e s h o r t e r t h a n r e t e n t i o n t i m e ( 1 0 y ) w h i c h i s a f u n d a m e n t a l r e q u e s t f o r a l l N V M t e c h n o l o g i e s O n t h e o t h e r h a n d t h e e x p o n e n t i a l d e p e n d e n c e o f t u n n e l c u r r e n t o n t h e o x i d e e l e c t r i c f i e l d c a u s e s s o m e c r i t i c a l p r o b l e m s o f p r o c e s s c o n t r o l b e c a u s e f o r e x a m p l e a v e r y s m a l l v a r i a t i o n o f o x i d e t h i c k n e s s a m o n g t h e c e l l s i n a m e m o r y a r r a y p r o d u c e s a g r e a t d i f f e r e n c e i n p r o g r a m m i n g o r e r a s i n g c u r r e n t s t h u s s p r e a d i n g t h e t h r e s h o l d v o l t a g e d i s t r i b u t i o n i n b o t h l o g i c a l s t a t e s [ 9 ] A v e r y g o o d p r o c e s s c o n t r o l i s t h e r e f o r e r e q u i r e d M o r e o v e r t h e t u n n e l i n g c u r r e n t s m a y b e c o m e i m p o r t a n t i n d e v i c e r e l i a b i l i t y a t l o w f i e l d s e i t h e r i n t h e c a s e o f b a d q u a l i t y t u n n e l o x i d e s o r w h e n t h i n o x i d e s a r e s t r e s s e d m a n y t i m e s a t h i g h v o l t a g e s I n f a c t b a d q u a l i t y o x i d e s a r e r i c h o f i n t e r f a c e a n d b u l k t r a p s a n d t r a p a s s i s t e d t u n n e l i n g i s m a d e p o s s i b l e s i n c e t h e e q u i v a l e n t b a r r i e r h e i g h t s e e n b y e l e c t r o n s i s r e d u c e d a n d t u n n e l i n g r e q u i r e s a m u c h l o w e r o x i d e f i e l d t h a n 1 0 M V / c m

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5 1 T h u s i n d e p t h a n a l y s i s i s r e q u i r e d t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d t h r e s h o l d v o l t a g e w i n d o w s o t h a t n o e r r o r s c r e e p i n I f t h i s i s n o t t h e c a s e t h e n a d e s i r e d W R I T E p r o g r a m m a y r e s u l t i n E R A S E a n d v i c e v e r s a 4 2 I m p o r t a n c e o f P a r a m e t e r B T h e p a r a m e t e r B p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e o p e r a t i o n o f w r i t i n g a n d e r a s i n g i n s e m i c o n d u c t o r n o n v o l a t i l e M O S m e m o r y d e v i c e s s u c h a s f l a s h m e m o r y a n d t h e g a t e c u r r e n t i n M O S F E T S T h e e l e c t r o n e f f e c t i v e m a s s i n t h e d i e l e c t r i c s a n d t h e p o t e n t i a l b a r r i e r h e i g h t w h i c h c o n t r o l t h e F N t u n n e l i n g c u r r e n t i n t h e s e d e v i c e s c a n b e f o u n d f r o m t h e e x t r a c t e d p a r a m e t e r B T h e r e f o r e s u c h s t u d i e s a r e n e c e s s a r y i n o r d e r t o o b t a i n a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e e f f e c t o f n o v e l g a t e m a t e r i a l s o n t h e F N t u n n e l i n g c u r r e n t t h e d y n a m i c s o f t h e w r i t i n g a n d e r a s i n g i n t h e m e m o r y d e v i c e s a n d t h e l e a k a g e c u r r e n t i n t h e g a t e f o r M O S F E T S C o n s e q u e n t l y i m p r o v e m e n t i n t h e p r o g r a m m i n g s p e e d o f m e m o r y d e v i c e s a n d t h e r e l i a b i l i t y o f t h e g a t e o x i d e c a n b e a c h i e v e d [ 3 6 ] H o w e v e r u p t o t h e p r e s e n t t i m e t h e r e a r e n o g e n e r a l l y a c c e p t e d v a l u e s f o r p a r a m e t e r B I f o n e a s s u m e s B = 2 6 0 M V / c m a n d 0e= 1 0 M V / c m a 5 % u n c e r t a i n t y o f B w i l l r e s u l t i n 3 7 0 % u n c e r t a i n t y i n t h e c u r r e n t d e n s i t y T h i s r e s e a r c h w o r k i s a n e f f o r t i n t h e d i r e c t i o n o f f i n d i n g a v a l u e o f B w h i c h i s a s a c c u r a t e a s p o s s i b l e 4 3 S a m p l e F a b r i c a t i o n T h e f a b r i c a t i o n o f t h e o x i d e o f a M O S F E T i s o n e o f t h e c r i t i c a l s t e p s w h e n f a b r i c a t i n g M O S F E T s T h i s i s d u e t o t h e n e e d f o r a n i d e a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e w i t h l o w

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5 2 s u r f a c e s t a t e d e n s i t y a n d a l s o b e c a u s e o f t h e e x t r e m e l y t h i n o x i d e s t h a t a r e c u r r e n t l y u s e d f o r s u b m i c r o n M O S F E T s T w o t e c h n i q u e s a r e c o m m o n l y u s e d t o f o r m s i l i c o n d i o x i d e ; o n e i n v o l v e s t h e o x i d a t i o n o f t h e s i l i c o n y i e l d i n g a t h e r m a l o x i d e a n d t h e o t h e r r e l i e s o n t h e d e p o s i t i o n o f S i O2 u s i n g a c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n p r o c e s s F o r m e r t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d t o f a b r i c a t e w a f e r s u s e d i n t h i s r e s e a r c h G a t e o x i d e s w e r e t h e r m a l l y g r o w n i n a d r y 2O a m b i e n t a t a t e m p e r a t u r e i n t h e r a n g e o f 9 0 0 9 5 0Co. A l u m i n u m w a s d e p o s i t e d o n t h e f r o n t a n d t h e b a c k o f t h e w a f e r R e s i s t i v e e v a p o r a t i o n a n d w e t e t c h i n g o f t h e a l u m i n u m w e r e u s e d t o m i n i m i z e d a m a g e t o t h e g a t e o x i d e T h e r e s i s t i v i t y o f w a f e r w a s 1 o h m / c m T h e r e w a s n o p o s t m e t a l l i z a t i o n a n n e a l i n g i n o r d e r t o m i n i m i z e r e a c t i o n s b e t w e e n t h e a l u m i n u m a n d t h e g a t e o x i d e s A f t e r t h e y w e r e c l e a n e d u s i n g s t a n d a r d c l e a n i n g p r o c e s s a n d H F d i p p e d t h e r m a l o x i d e o f s i z e s i n t h e r a n g e o f 7 n m ~ 1 3 n m w e r e g r o w n 4 4 M e a s u r e m e n t S e t u p M e a s u r i n g l e a k a g e c u r r e n t s o n s e m i c o n d u c t o r w a f e r s a n d w i t h i n d e v i c e s h a s a l w a y s b e e n a c h a l l e n g e f o r a n a l y t i c a l p r o b i n g e q u i p m e n t a s w e l l a s t h e s u p p o r t i n g i n s t r u m e n t a t i o n W i t h m a r k e t d e m a n d s f o r h i g h e r d e n s i t y I C s l o w e r p o w e r i m p r o v e d r e l i a b i l i t y a n d f e a t u r e s l i k e p r o g r a m m a b i l i t y s e m i c o n d u c t o r m a k e r s e n g i n e e r p r o c e s s e s t o p u s h l e a k a g e s a n d d e v i c e o f f c u r r e n t s e v e r l o w e r W h e n t h e s e c u r r e n t s a r e l e s s t h a n a p i c o a m p d i r e c t m e a s u r e m e n t c a n b e v e r y d i f f i c u l t T h e s e t u p u s e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h h a s p r o v i d e d s o m e r e a l l y g o o d d a t a w h i c h w e r e l a t e r u s e d f o r a n a l y s i s

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5 3 p u r p o s e A b r i e f o v e r v i e w o f t h e s e t u p h a s b e e n p r o v i d e d D e t a i l s h a v e b e e n p r e s e n t e d i n t h e a p p e n d i x A a n d B T h e e q u i p m e n t s u s e d i n t h i s s e t u p a r e : p e r s o n a l c o m p u t e r K e i t h l e y 6 1 7 E l e c t r o m e t e r [ 3 7 ] K e i t h l e y 2 3 0 V o l t m e t e r [ 3 8 ] B o o n t o n C a p a c i t a n c e m e t e r M i c r o m a n i p u l a t o r 7 0 0 0 s e r i e s p r o b e s t a t i o n T h e f u n c t i o n s o f a l l t h e d e v i c e s a n d e q u i p m e n t s t h a t h a v e b e e n u s e d i n t h e s e t u p a r e d i s c u s s e d b e l o w T h e s e t u p r e q u i r e s a n I B M c o m p a t i b l e c o m p u t e r w i t h L a b V I E W s o f t w a r e i n s t a l l e d o n i t a n d I E E E 4 8 8 i n t e r f a c e b u s t h a t c a r r i e s d a t a b e t w e e n c o m p u t e r a n d o t h e r e q u i p m e n t i n t h e s e t u p L a b V I E W i s a p r o g r a m d e v e l o p m e n t a p p l i c a t i o n t h a t u s e s a g r a p h i c a l p r o g r a m m i n g l a n g u a g e t o c r e a t e p r o g r a m i n b l o c k d i a g r a m f o r m L a b V I E W l i k e a n y o t h e r p r o g r a m m i n g l a n g u a g e h a s a n e x t e n s i v e l i b r a r y o f f u n c t i o n s f o r a n y p r o g r a m m i n g t a s k I t i n c l u d e s l i b r a r i e s f o r d a t a a c q u i s i t i o n s e r i a l i n s t r u m e n t c o n t r o l d a t a a n a l y s i s d a t a p r e s e n t a t i o n a n d d a t a s t o r a g e A p r o g r a m h a d b e e n w r i t t e n i n l a b V I E W t o c o n t r o l t h e f l o w o f d a t a i n t h e s e t u p A v i r t u a l m o d e l o f K i e t h l e y 6 1 7 e l e c t r o m e t e r a n d 2 3 0 v o l t m e t e r w i t h a l l t h e f u n c t i o n a l i t i e s h a d b e e n d e v e l o p e d t o a u t o m a t e t h e w h o l e p r o c e s s D e t a i l s h a v e b e e n p r o v i d e d i n a p p e n d i x B 4 4 1 O v e r v i e w o f E q u i p m e n t T h e K e i t h l e y m o d e l 2 3 0 i s a p r o g r a m m a b l e v o l t a g e s o u r c e w i t h f u l l r a n g e v o l t a g e f r o m 1 9 9 9 5 m V t o 1 0 1 V. T h e t h r e e s e l e c t a b l e c u r r e n t l i m i t s a l l o w t h e u s e r t o t a i l o r t h e c u r r e n t l i m i t f r o m 2 m A t o 2 0 m A t o 1 0 0 m A T h e 1 0 0 m e m o r y l o c a t i o n s a l l o w u p t o 1 0 0 s t o r a g e l o c a t i o n s f o r p r o g r a m m i n g s o u r c e I l i m i t a n d d w e l l t i m e

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5 4 T h e K e i t h l e y M o d e l 6 1 7 P r o g r a m m a b l e E l e c t r o m e t e r i s a h i g h l y s e n s i t i v e i n s t r u m e n t d e s i g n e d t o m e a s u r e v o l t a g e c u r r e n t c h a r g e a n d r e s i s t a n c e T h e m e a s u r i n g r a n g e o f t h e M o d e l 6 1 7 i s b e t w e e n 1 0 0 m V a n d 2 0 0 V f o r v o l t a g e m e a s u r e m e n t s 0 l f A a n d 2 0 m A i n t h e c u r r e n t m o d e l 0 f C a n d 2 0 0 C i n t h e c o u l o m b s m o d e a n d 0 1 o h m s t o 2 0 0 M e g a o h m s i n t h e r e s i s t a n c e m o d e T h e v e r y h i g h i n p u t i m p e d a n c e a n d e x t r e m e l y l o w i n p u t o f f s e t c u r r e n t a l l o w a c c u r a t e m e a s u r e m e n t i n s i t u a t i o n s w h e r e m a n y o t h e r i n s t r u m e n t s w o u l d h a v e d e t r i m e n t a l e f f e c t s o n t h e c i r c u i t b e i n g m e a s u r e d A 4 % d i g i t d i s p l a y a n d s t a n d a r d I E E E 4 8 8 i n t e r f a c e g i v e t h e u s e r e a s y a c c e s s t o i n s t r u m e n t d a t a M i c r o m a n i p u l a t o r P r o b e s t a t i o n i s a n u l t r a s t a b l e s t a t i o n w i t h c o a r s e a n d f i n e w a f e r s t a g e m o v e m e n t t o p r o v i d e f a s t e r w a f e r m o v e m e n t a s w e l l a s s u b m i c r o n r e s o l u t i o n I t i s d e s i g n e d f o r h i g h d e n s i t y s m a l l g e o m e t r y p r o b i n g O u r P r o b e s t a t i o n i s a 7 0 0 0 s e r i e s a n a l y t i c a l p r o b i n g s t a t i o n w i t h X Y s t a g e m o v e m e n t b y f i n e m a n u a l a n d t w o s p e e d m o t o r c o n t r o l s I t c o n s i s t s o f a h i g h m a g n i f i c a t i o n m i c r o s c o p e w i t h l o n g w o r k i n g d i s t a n c e o b j e c t i v e s a r e f i n e d m i c r o s c o p e t r a n s l a t i o n w i t h o n e i n c h t r a v e l i n t h e X a n d Y d i r e c t i o n s a p n e u m a t i c p l a t e n l i f t b a c k t h a t a l l o w s o n e i n c h l i f t a m o t o r i z e d s t a g e d r i v e w i t h t w o s p e e d o p e r a t i o n a p n e u m a t i c p l a t e n t o i n c o r p o r a t e v a c u u m b a s e m a n i p u l a t o r s a n d a s t a g e p o s i t i o n t h a t a l l o w s u p t o s i x i n c h t r a v e l T h e n o i s e l e v e l d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h w o r k h a d b e e n r e d u c e d t o 1 01 5A 4 4 2 L a b S e t u p f o r I V M e a s u r e m e n t s T h e s e t u p u s e d f o r t h e I V m e a s u r e m e n t s d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s t h e s i s h a s b e e n s h o w n i n F i g u r e 4 1 T h e k i e t h l e y 2 3 0 v o l t a g e s o u r c e i s f e d v o l t a g e r a n g e w i t h d e s i r e d d e l a y

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5 5 u s i n g t h e L A B V I E W s o f t w a r e t h r o u g h G P I B i n t e r f a c e T h e v o l t a g e r a n g e c o u l d b e n e g a t i v e o r p o s i t i v e d e p e n d i n g u p o n t h e d e v i c e u n d e r t e s t T h i s a c t i o n t r i g g e r s t h e v o l t a g e s o u r c e m e t e r T h e v o l t a g e r a n g e w i t h d e s i r e d d e l a y g e t s a p p l i e d o n t o t h e M O S c a p a c i t o r p l a c e d o n t h e s h i e l d e d p r o b e s t a t i o n t h r o u g h a p r o b e C o r r e s p o n d i n g c u r r e n t v a l u e s a r e d i s p l a y e d o n t h e K i e t h l e y 6 1 7 E l e c t r o m e t e r a n d s u b s e q u e n t l y s t o r e d a s a n e x c e l f i l e o n t h e c o m p u t e r G e n e r a l l y t h e v o l t a g e r a n g e i s s e l e c t e d s u c h t h a t t h e c u r r e n t r a n g e s f r o m p i c o a m p s t o m i c r o a m p s D e v i c e u n d e r t e s t i s a s s u m e d b r o k e n w h e n c u r r e n t r e a d i n g s e x t e n d i n t o m i c r o a m p s F i g u r e 4 1 I V M e a s u r e m e n t S e t u p G P I B I n t e r f a c e V o l t a g e S o u r c e E l e c t r o m e t e r M i c r o m a n i p u l a t o r P r o b e s t a t i o n C O M P U T E R

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5 6 4 4 3 L a b S e t u p f o r C V M e a s u r e m e n t s F i g u r e 4 2 s h o w s t h e s e t u p f o r C V m e a s u r e m e n t s i n t h e l a b A s s h o w n t h e D e v i c e U n d e r t e s t ( D U T ) i s c o n n e c t e d t o t h e C a p a c i t a n c e m e t e r N o w t h e r e i s n o i n t e r f a c e b e t w e e n t h e c a p a c i t a n c e m e t e r a n d t h e c o m p u t e r S o t o a u t o m a t e t h e f l o w t h e o u t p u t f r o m t h e m e t e r i s f e d t o K i e t h l e y 6 1 7 E l e c t r o m e t e r w h i c h i n t u r n i s c o n n e c t e d t o t h e c o m p u t e r a s a l r e a d y s h o w n i n t h e s e t u p f o r I V m e a s u r e m e n t s T h e r e s u l t s a r e s t o r e d i n t h e e x c e l d a t a s h e e t S i m i l a r l y t h e d e s i r e d i n p u t v o l t a g e s o u r c e i s f e d t o t h e C a p a c i t a n c e m e t e r t h r o u g h t h e k i e t h l e y V o l t a g e S o u r c e T h u s t h e p r o c e s s o f r e c o r d i n g d a t a f o r a n a l y s i s h a s b e e n m a d e f u l l y a u t o m a t e d F i g u r e 4 2 C V M e a s u r e m e n t S e t u p G P I B I n t e r f a c e V o l t a g e S o u r c e E l e c t r o m e t e r M i c r o m a n i p u l a t o r P r o b e s t a t i o n C O M P U T E R C a p a c i t a n c e M e t e r

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5 7 4 5 A n a l y s i s B e f o r e g o i n g i n t o t h e a n a l y s i s i t i s o f p r i m e i m p o r t a n c e t o v a l i d a t e t h e w a f e r s o t h e r w i s e a n y t y p e o f a n a l y s i s w o u l d n o t y i e l d t h e d e s i r e d r e s u l t O n e o f t h e s i m p l e s t t e s t s t o s e e i f w a f e r i s u s e f u l f o r a n a l y s i s i s t o c h e c k f o r c u r r e n t u n i f o r m i t y T h i s t e s t w a s p e r f o r m e d b y m e a s u r i n g c u r r e n t o n d i e s o f d i f f e r e n t a r e a o n t h e w a f e r a t c o n s t a n t v o l t a g e A s a l r e a d y d i s c u s s e d t h e c e l l d i m e n s i o n s a r e 1 04 c m2, 4 1 04 c m2 a n d 1 6 1 04 c m2. I n t h i s r e s e a r c h t w o d i f f e r e n t v o l t a g e s v i z 5 V a n d 8 V w e r e a p p l i e d a n d c u r r e n t m e a s u r e d f o r t h e d i f f e r e n t a r e a s a t e a c h v o l t a g e T h i s t e s t w a s p e r f o r m e d o n b o t h t h e p t y p e a s w e l l a s n t y p e w a f e r F i g u r e 4 3 a n d F i g u r e 4 4 g i v e s a p l o t b e t w e e n t h e m e a s u r e d c u r r e n t i n A m p s v e r s u s t h e A r e a a t a c o n s t a n t a p p l i e d v o l t a g e o f 5 V A s s e e n t h e c u r v e i s l i n e a r w h i c h i m p l i e s t h a t t h e c u r r e n t d e n s i t y i s c o n s t a n t a n d d o e s n ’ t v a r y w i t h i n c r e a s e i n a r e a F i g u r e 4 3 P l o t o f C u r r e n t v e r s u s A r e a f o r a 7n m n t y p e D e v i c e C h a r a c t e r i s t i c s 1 6 3 8 E 1 1 4 2 6 3 E 1 0 1 6 1 0 9 E 0 9 0 0 0 E + 0 0 2 0 0 E 1 0 4 0 0 E 1 0 6 0 0 E 1 0 8 0 0 E 1 0 1 0 0 E 0 9 1 2 0 E 0 9 0 5 1 0 1 5 2 0 A r e a o f t h e D i e S i z e ( i n c m ) I ( A ) A p p l i e d v o l t a g e = 5 V ( 1 0 4 c m 2 )

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5 8 T h e p l o t s b e t w e e n t h e m e a s u r e d c u r r e n t v e r s u s t h e a r e a a t c o n s t a n t i n p u t v o l t a g e o f 8 V a r e n o t p r e s e n t e d B u t c u r r e n t w a s f o u n d t o b e u n i f o r m H o w e v e r t h e s l o p e s w e r e d i f f e r e n t a s c o m p a r e d t o t h e o n e s s h o w n i n F i g u r e s 4 3 a n d 4 4 T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t t h e c u r r e n t d e n s i t y d e p e n d s o n t h e e l e c t r i c f i e l d w h i c h i n t u r n c h a n g e s a c c o r d i n g t o t h e a p p l i e d v o l t a g e F i g u r e 4 4 P l o t o f C u r r e n t v e r s u s A r e a f o r a 7n m p t y p e D e v i c e B a s e d o n t h e a b o v e c o n c l u s i o n s i t w a s d e d u c t e d t h a t t h e w a f e r s w e r e g o o d f o r f u r t h e r a n a l y s i s a n d m e a s u r e m e n t s C h a r a c t e r i s t i c s 1 6 5 7 6 E 1 1 4 1 3 9 E 1 1 1 2 9 6 E 1 2 0 0 0 E + 0 0 1 0 0 E 1 1 2 0 0 E 1 1 3 0 0 E 1 1 4 0 0 E 1 1 5 0 0 E 1 1 6 0 0 E 1 1 7 0 0 E 1 1 0 4 8 1 2 1 6 2 0 A r e a o f t h e D i e S i z e ( i n c m ) I ( A ) ( 1 0 4 c m 2 ) A p p l i e d V o l t a g e = 5 V

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5 9 4 5 1 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n ( T D D B ) D i e l e c t r i c b r e a k d o w n r e f e r s t o t h e d e s t r u c t i o n o f a d i e l e c t r i c l a y e r u s u a l l y a s a r e s u l t o f e x c e s s i v e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e o r v o l t a g e a c r o s s i t I t i s u s u a l l y m a n i f e s t e d a s a s h o r t o r l e a k a g e a t t h e p o i n t o f b r e a k d o w n S i n c e S i O 2 i s a v e r y c o m m o n d i e l e c t r i c m a t e r i a l i t s b r e a k d o w n m e c h a n i s m h a s b e e n u n d e r s t o o d o v e r t h e y e a r s S i O 2 b r e a k d o w n i s b e l i e v e d t o b e d u e t o c h a r g e i n j e c t i o n a n d m a y b e b r o k e n d o w n i n t o 2 s t a g e s D u r i n g t h e f i r s t s t a g e c u r r e n t s t a r t s t o f l o w t h r o u g h t h e o x i d e a s a r e s u l t o f t h e v o l t a g e a p p l i e d a c r o s s i t H i g h f i e l d / h i g h c u r r e n t r e g i o n s a r e t h e n f o r m e d a s c h a r g e s a r e t r a p p e d i n t h e o x i d e E v e n t u a l l y t h e s e a b n o r m a l r e g i o n s r e a c h s t a g e 2 a c r i t i c a l p o i n t w h e r e i n t h e o x i d e h e a t s u p a n d a l l o w s a g r e a t e r c u r r e n t f l o w T h i s r e s u l t s i n a n e l e c t r i c a l a n d t h e r m a l r u n a w a y t h a t q u i c k l y l e a d s t o t h e p h y s i c a l d e s t r u c t i o n o f t h e o x i d e I n t h i s r e s e a r c h w o r k T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n ( T D D B ) o f A l g a t e w i t h 7 n m g a t e o x i d e t h i c k n e s s ( f o r b o t h n t y p e a n d p t y p e w a f e r s ) w e r e m e a s u r e d a n d a n a l y z e d u n d e r c o n s t a n t v o l t a g e s t r e s s T h e t i m e t o b r e a k d o w n f o r a d i e l e c t r i c i s v o l t a g e d e p e n d e n t F i g u r e 4 5 s h o w s t h e T D D B f o r a 7 n m t h i c k g a t e o x i d e f o r a n n t y p e d e v i c e w h e n s u b j e c t e d t o c o n s t a n t v o l t a g e s o f 1 0 5 v 1 1 5 v a n d 1 2 0 v W h e n V = 1 0 5 v i t t a k e s a p p r o x i m a t e l y 2 0 m i n u t e s t o b r e a k d o w n w h e r e w h e n V = 1 1 5 v a n d V = 1 2 5 v i t t a k e s a p p r o x i m a t e l y 1 4 a n d 6 m i n u t e s r e s p e c t i v e l y F i g u r e 4 6 s h o w s t h e T D D B f o r a 7 n m t h i c k g a t e o x i d e f o r a p t y p e d e v i c e w h e n s u b j e c t e d t o c o n s t a n t v o l t a g e s o f 1 0 5 v 1 1 5 v a n d 1 2 0 v W h e n V = 1 0 5 v i t t a k e s a p p r o x i m a t e l y 2 4 m i n u t e s t o b r e a k d o w n w h e r e w h e n V = 1 1 5 v a n d V = 1 2 5 v i t t a k e s a p p r o x i m a t e l y 1 9 a n d 8 m i n u t e s r e s p e c t i v e l y

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6 0 F i g u r e 4 5 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n B e h a v i o r o f a 7n m O x i d e T h i c k n e s s n t y p e D e v i c e F i g u r e 4 6 T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n B e h a v i o r o f a 7n m O x i d e T h i c k n e s s p t y p e D e v i c e T D D B 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 1 0 0 E 0 4 1 0 0 E 0 3 0 5 1 0 1 5 2 0 T i m e ( m i n ) L o g ( I ) ( A ) V o l t a g e = 1 2 5 V V o l t a g e = 1 1 5 V V o l t a g e = 1 0 5 V T D D B 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 1 0 0 E 0 4 1 0 0 E 0 3 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 T i m e ( m i n ) L o g ( I ) ( A ) V o l t a g e = 1 2 5 V V o l t a g e = 1 1 5 V V o l t a g e = 1 0 5 V

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6 1 4 5 2 F N R e g i o n F o r a r e l a t i v e l y t h i c k t h e r m a l o x i d e n o d e t e c t a b l e c u r r e n t f l o w s u n t i l t h e o c c u r r e n c e o f F o w l e r N o r d h e i m ( F N ) t u n n e l i n g w h i c h o c c u r s w i t h t h e p r e s e n c e o f a n e l e c t r i c f i e l d a b o v e 6 7 M v / c m A n a l y s i s h a v e b e e n c a r r i e d o u t i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s t o d e t e r m i n e p a r a m e t e r B i n t h e F N r e g i o n 4 5 2 1 C V C h a r a c t e r i s t i c s M O S c a p a c i t a n c e v o l t a g e m e a s u r e m e n t i s o n e o f t h e m o s t c o m m o n p r o c e s s e s m o n i t o r i n g d i a g n o s t i c s e m p l o y e d i n d e v i c e m a n u f a c t u r i n g A v a s t a m o u n t o f i n f o r m a t i o n c a n b e d e r i v e d f r o m t h i s s i m p l e t e s t F i r s t a n d f o r e m o s t a l o o k a t t h e C a p a c i t a n c e v e r s u s v o l t a g e p l o t g i v e s a n i d e a a b o u t t h e D e v i c e U n d e r T e s t ( D U T ) T h e a p p l i e d v o l t a g e r a n g e w a s f r o m 5 V t o 5 V t o s w e e p t h e D U T f r o m d e p l e t i o n t o a c c u m u l a t i o n a n d r e t r a c e H y s t e r e s i s w a s n o t i c e d d u r i n g r e t r a c e C e l l s w h e r e t h e h y s t e r e s i s w a s p r o m i n e n t ( m o r e t r a p c h a r g e s ) w e r e m a r k e d n o t g o o d f o r f u r t h e r a n a l y s i s O n l y t h e c h a r a c t e r i s t i c s s i m i l a r t o t h e p l o t s s h o w n i n f i g u r e s 4 7 ( f o r n t y p e ) a n d 4 8 ( f o r p t y p e ) w e r e a n a l y z e d f u r t h e r T h i s w a s a n o t h e r w a y o f v a l i d a t i n g t h e c e l l s i n a d d i t i o n t o c h e c k i n g t h e u n i f o r m i t y o f c u r r e n t ( a s a l r e a d y d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n ) I t i s v e r y i m p o r t a n t b e c a m e i m p e r a t i v e t o f i n d o u t t h e e x a c t v a l u e f o r o x i d e t h i c k n e s s b e c a u s e t h e p a r a m e t e r B i s s e n s i t i v e t o t h e u n c e r t a i n t y o f t h e o x i d e t h i c k n e s s [ 3 6 ] T h i s u n c e r t a i n t y i n B c a n b e g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : B = B0 [ 1 / ( 1 + t ) ] ( 4 1 )

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6 2 w h e r e t i s t h e u n c e r t a i n t y o f t h e o x i d e t h i c k n e s s T h u s a s s e e n t h e u n c e r t a i n t y i n t h e p a r a m e t e r B i s a l m o s t p r o p o r t i o n a l t o t h e u n c e r t a i n t y o f t h e o x i d e t h i c k n e s s T h e w a f e r s u s e d i n t h i s r e s e a r c h h a d o x i d e t h i c k n e s s w i t h t h e n o m i n a l v a l u e o f 7 n m. N o w t h i s i s n o t a n a c c u r a t e i n d i c a t i o n o f t h e o x i d e t h i c k n e s s T h i s v a l u e i s j u s t t h e a v e r a g e f o r a l l t h e c e l l s A n a c c u r a t e v a l u e f o r p a r a m e t e r B r e q u i r e s a n a c c u r a t e v a l u e f o r o x i d e t h i c k n e s s T h i s w a s a c h i e v e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k b y a n a l y z i n g t h e C V d a t a i n a c c u m u l a t i o n F i g u r e 4 7 C V C h a r a c t e r i s t i c s o f a 7 n m n t y p e D e v i c e C h a r a c t e r i s t i c s 0 1 E 1 1 2 E 1 1 3 E 1 1 4 E 1 1 5 E 1 1 6 E 1 1 6 4 2 0 2 4 6 V o l t a g e ( V ) C a p a c i t a n c e ( C )

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6 3 T h e o r e t i c a l l y O x i d e t h i c k n e s s i s g i v e n b y =o x o x o xC A te* ( 4 2 ) w h e r e Co x i s t h e c a p a c i t a n c e i n a c c u m u l a t i o n A i s t h e a r e a o f t h e c e l l u n d e r i n v e s t i g a t i o n a n d o x i s t h e p e r m i t t i v i t y o f o x i d e T h e v a l u e o f u n k n o w n p a r a m e t e r Co x w a s f o u n d b y l o o k i n g a t t h e C V c u r v e a n d n o t i n g d o w n t h e v a l u e f o r C a p a c i t a n c e w h e n t h e c e l l w a s i n a c c u m u l a t i o n T h u s a n a c c u r a t e v a l u e o f g a t e o x i d e t h i c k n e s s w a s d e t e r m i n e d I n t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h i t w a s f o u n d o u t t h a t o x i d e t h i c k n e s s r a n g e d f r o m 6 7 6 n m t o 7 1 6 7 n m T h e p l o t s h o w n i n F i g u r e 4 7 i s f o r n t y p e w a f e r a n d t h e o x i d e t h i c k n e s s f o r t h e s a m e i s 7 1 3 4n m. F i g u r e 4 8 C V C h a r a c t e r i s t i c s o f a 7 n m p t y p e D e v i c e C h a r a c t e r i s t i c s 1 0 0 E 1 2 1 1 0 E 1 1 2 1 0 E 1 1 3 1 0 E 1 1 4 1 0 E 1 1 5 1 0 E 1 1 6 1 0 E 1 1 1 0 5 0 5 1 0 V o l t a g e ( V ) C a p a c i t a n c e ( C )

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6 4 T h e P l o t s h o w n i n f i g u r e 4 8 i s f o r p t y p e w a f e r a n d t h e t h i c k n e s s f o r t h e s a m e i s 6 9 9 n m. N e x t s t e p i n o r d e r t o f i n d a n a c c u r a t e v a l u e f o r p a r a m e t e r B w a s t o f i n d f l a t b a n d v o l t a g e VF B. I d e a l l y VF B s h o u l d b e z e r o B u t b e c a u s e t h e r e i s a w o r k f u n c t i o n d i f f e r e n c e a n d a f i n i t e v a l u e f o r o x i d e c h a r g e VF B h a s a v a l u e o t h e r t h e n z e r o T h i s v a l u e w a s f o u n d o u t r e l y i n g o n C V d a t a T o f i n d VF B i t w a s i m p o r t a n t t o f i n d f l a t b a n d c a p a c i t a n c e w h i c h w a s g i v e n b y A C C C C Cd i d i F B* n + = ( 4 3 ) w h e r e Cd i s t h e d e p l e t i o n c a p a c i t a n c e a t f l a t b a n d a n d i s g i v e n b y Cd = s i / Ld ( 4 4 ) w h e r e Ld i s t h e D e b y e l e n g t h O n c e CF B w a s d e t e r m i n e d t h e c o r r e s p o n d i n g f l a t b a n d v o l t a g e VF B w a s d e t e r m i n e d f r o m t h e C V c u r v e A f t e r a n a l y z i n g l o t s o f C V d a t a i t w a s f o u n d o u t t h a t f o r t h e s a m p l e s u s e d i n t h i s r e s e a r c h VF B r a n g e d f r o m 0 9 0 V t o 1 0 5 V f o r n t y p e d e v i c e a n d f r o m 1 8 0 V t o 2 0 5 V f o r p t y p e T h e f l a t b a n d v o l t a g e VF B f o r t h e f i g u r e 4 7 w a s d e t e r m i n e d t o b e 1 0 0 V a n d f o r f i g u r e 4 8 i t w a s 2 0 0 V 4 5 2 2 I V C h a r a c t e r i s t i c s A t y p i c a l I V c u r v e c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e d i s t i n c t r e g i o n s A t l o w e r v o l t a g e f o r a g i v e n o x i d e t h i c k n e s s t h e b e h a v i o r i s e x p l a i n e d b y D i r e c t t u n n e l i n g A s t h e v o l t a g e i n c r e a s e s s o d o e s t h e e l e c t r i c f i e l d T h i s r e g i o n w h e r e t h e c u r r e n t i n c r e a s e s s h a r p l y w i t h

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6 5 t h e c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n t h e e l e c t r i c f i e l d i s t e r m e d a s F N r e g i o n A s t h i s r e s e a r c h c o n c e n t r a t e s o n f i n d i n g t h e F N p a r a m e t e r B c o n c e n t r a t i o n w a s l i m i t e d t o t h e r e g i o n T h e t h i r d r e g i o n i s t h e d i e l e c t r i c b r e a k d o w n T h i s i s a c c o m p a n i e d b y a v e r y l a r g e i n c r e a s e i n c u r r e n t v a l u e F i g u r e 4 9 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 7 n m n t y p e D e v i c e F i g u r e 4 9 s h o w s I V c h a r a c t e r i s t i c s o f a n n t y p e d e v i c e w i t h 7 n m o x i d e t h i c k n e s s b i a s e d f o r v a r i o u s v o l t a g e v a l u e s I V C h a r a c t e r i s t i c s 1 0 0 E 1 1 1 0 0 E 1 0 1 0 0 E 0 9 1 0 0 E 0 8 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 1 0 0 E 0 4 4 5 6 7 8 9 1 0 V o l t a g e ( V ) L o g ( I ) ( A )

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6 6 F i g u r e 4 1 0 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 7 n m p t y p e D e v i c e F i g u r e 4 1 0 s h o w s I V c h a r a c t e r i s t i c s o f a n p t y p e d e v i c e w i t h 7 n m o x i d e t h i c k n e s s b i a s e d f o r v a r i o u s v o l t a g e v a l u e s F i g u r e 4 1 1 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 1 3 n m n t y p e D e v i c e I V C h a r a c t e r i s t i c s 1 0 0 E 1 2 1 0 0 E 1 1 1 0 0 E 1 0 1 0 0 E 0 9 1 0 0 E 0 8 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 1 0 0 E 0 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 V o l t a g e ( V ) L o g ( I ) ( A ) I V C h a r a c t e r i s t i c s 1 0 0 E 1 3 1 0 0 E 1 2 1 0 0 E 1 1 1 0 0 E 1 0 1 0 0 E 0 9 1 0 0 E 0 8 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 6 4 7 4 8 4 9 4 1 0 4 1 1 4 V o l t a g e ( V ) L o g ( I ) ( A )

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6 7 F i g u r e 4 1 2 I V C h a r a c t e r i s t i c f o r a 1 0 n m p t y p e D e v i c e F i g u r e s 4 1 1 a n d 4 1 2 s h o w I V c h a r a c t e r i s t i c s o f b o t h n t y p e a n d p t y p e d e v i c e s ( w i t h 1 3 n m a n d 1 0 n m o x i d e t h i c k n e s s r e s p e c t i v e l y ) b i a s e d f o r v a r i o u s v o l t a g e v a l u e s 4 5 2 3 F N S l o p e A n a l y s i s a n d E x p e r i m e n t a l R e s u l t s I n t h e l a s t t h r e e d e c a d e t h e F N t u n n e l i n g i n t h e M O S c a p a c i t o r h a s b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y b y m a n y r e s e a r c h e r s A c c o r d i n g t o t h e s i m p l e s t m o d e l a n d a s a l r e a d y s h o w n i n c h a p t e r 3 t h e t u n n e l i n g c u r r e n t d e n s i t y J i s g i v e n b y n = F B A F JF Ne x p2 ( 4 5 ) w h e r e sh q Af p2 31 6= ( 4 6 ) I V C h a r a c t e r i s t i c s 1 0 0 E 1 4 1 0 0 E 1 3 1 0 0 E 1 2 1 0 0 E 1 1 1 0 0 E 1 0 1 0 0 E 0 9 1 0 0 E 0 8 1 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 0 0 E 0 5 1 0 0 E 0 4 6 5 7 5 8 5 9 5 1 0 5 V o l t a g e ( V ) L o g ( I ) ( A )

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6 8 2 / 3 2 / 1) 2 ( 3 4b o xq h m Bf= ( 4 7 ) A c c o r d i n g t o t h e m o d e l t h e p l o t o f l o g J/2F v e r s u s 1 / F ( a l s o c a l l e d t h e F N p l o t ) s h o u l d b e l i n e a r w i t h a s l o p e o f B T o f i n d t h e s l o p e ( p a r a m e t e r B ) c u r r e n t d e n s i t y (J) a n d e l e c t r i c f i e l d (F) n e e d s t o b e d e t e r m i n e d f i r s t T h i s c a n b e a c h i e v e d b y f i r s t d e t e r m i n i n g t h e F N r e g i o n i n a n I V c u r v e a n d t h e n f i n d i n g t h e c o r r e s p o n d i n g c u r r e n t d e n s i t y a n d e l e c t r i c f i e l d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s T h e c u r r e n t d e n s i t y J i s g i v e n b y A I J / = ( 4 8 ) a n d t h e E l e c t r i c f i e l d i s g i v e n b y o x F Bt V V F / ) ( = ( 4 9 ) F i g u r e 4 1 3 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 7 n m n t y p e D e v i c e B = 2 6 6 4 4 ( VF B = 0 9 5 V )

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6 9 F i g u r e 4 1 4 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 7 n m p t y p e D e v i c e F i g u r e 4 1 3 s h o w s t h e c o r r e s p o n d i n g F N p l o t f o r t h e F N r e g i o n s h o w n i n F i g u r e 4 9 T h i s r e g i o n w a s a p p r o x i m a t e d t o l i e b e t w e e n v o l t a g e s 6 0 V a n d 8 4 V T h e v a l u e o f p a r a m e t e r B e x t r a c t e d f r o m t h e F N p l o t w a s 2 6 6 4 4 S i m i l a r l y f o r F i g u r e 4 1 0 t h e F N r e g i o n w a s a p p r o x i m a t e d t o l i e b e t w e e n 7 6 V a n d 9 0 V F i g u r e 4 1 4 i s t h e F N p l o t f o r t h e s a m e T h e s l o p e o f t h i s p l o t ( P a r a m e t e r B ) i s 2 6 7 F i g u r e 4 1 5 s h o w s t h e c o r r e s p o n d i n g F N p l o t f o r t h e F N r e g i o n s h o w n i n F i g u r e 4 1 1 T h i s r e g i o n w a s a p p r o x i m a t e d t o l i e b e t w e e n v o l t a g e s 7 0 V a n d 1 1 0 V T h e v a l u e o f p a r a m e t e r B e x t r a c t e d f r o m t h e F N p l o t w a s 2 6 3 1 1 S i m i l a r l y f o r F i g u r e 4 1 2 t h e F N r e g i o n w a s a p p r o x i m a t e d t o l i e b e t w e e n 7 5 V a n d 1 0 5 V F i g u r e 4 1 6 i s t h e F N p l o t f o r t h e s a m e T h e s l o p e o f t h i s p l o t ( P a r a m e t e r B ) i s 2 6 0 1 8 B = 2 6 7 6 ( VF B = 2 0 0 V )

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7 0 F i g u r e 4 1 5 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 1 3 n m n t y p e D e v i c e F i g u r e 4 1 6 F o w l e r N o r d h e i m P l o t f o r 1 0 n m p t y p e D e v i c e B = 2 6 0 1 8 ( VF B = 0 9 5 V ) B = 2 6 3 4 0 ( VF B = 1 1 0 V )

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7 1 C h a p t e r 5 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n A s a p a r t o f t h i s r e s e a r c h w o r k o n e o f t h e f i r s t s t e p u n d e r t a k e n w a s t o s e t u p a h i g h l y r e l i a b l e T e s t S t a t i o n T h e w h o l e s e t u p w a s t h e n a u t o m a t e d t o r e m o v e h u m a n e r r o r a n g l e I m p r o v i s a t i o n o f t h e s o f t w a r e a n d t h e T e s t S t a t i o n i s a n o n g o i n g p r o c e s s i n t h e L a b C u r r e n t U n i f o r m i t y w a s t e s t e d f o r d i f f e r e n t a r e a s o n e a c h w a f e r I t w a s o b s e r v e d t h a t t h o u g h t h e c u r r e n t i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s e i n a r e a c u r r e n t d e n s i t y r e m a i n e d m o r e o r l e s s c o n s t a n t H y s t e r e s i s i n t h e C V w a s o b s e r v e d t o b e i n t h e r a n g e w h i c h i n d i c a t e d m i n i m a l o x i d e c h a r g e e f f e c t s F N p a r a m e t e r B i s i m p o r t a n t f o r d e t e r m i n i n g r e l i a b i l i t y i s s u e s i n M O S F E T a n d t h r e s h o l d v o l t a g e c o n t r o l i n N V M A s r e p o r t e d i n [ 3 6 ] t h e u n c e r t a i n t y o f t h e p a r a m e t e r B i s a l m o s t p r o p o r t i o n a l t o t h a t o f t h e o x i d e t h i c k n e s s T h u s t h e n o m i n a l v a l u e o f o x i d e t h i c k n e s s w a s n ’ t u s e d f o r a n a l y s i s I n s t e a d a n e f f o r t w a s m a d e t o c a l c u l a t e a c c u r a t e v a l u e o f o x i d e t h i c k n e s s f r o m t h e c a p a c i t a n c e i n a c c u m u l a t i o n C V d a t a w a s c o l l e c t e d a n d a n a l y z e d t o d e t e r m i n e f l a t b a n d v o l t a g e D u e t o c o n t i n u o u s s c a l i n g f u n d a m e n t a l l i m i t s h a v e b e e n r e a c h e d f o r S i O2 s c a l i n g T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e c h a n g e i n o x i d e t h i c k n e s s b e h a v i o r d u e t o i n c r e a s e d p r o b l e m s w i t h d o p a n t p e n e t r a t i o n t h r o u g h u l t r a t h i n S i O2 l a y e r s a n d d i r e c t t u n n e l i n g m e c h a n i s m T h i s r e s e a r c h w o r k c o n c e n t r a t e d o n d e v i c e s w i t h o x i d e t h i c k n e s s v a r y i n g f r o m 7 n m t o 1 3

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7 2 n m F o r o x i d e t h i c k n e s s i n t h e r a n g e 1 0 ~ 1 3 n m t h e p a r a m e t e r B i s n o t s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e i n o x i d e t h i c k n e s s T h e v a l u e s o f B r a n g e d f r o m 2 6 0 t o 2 6 7 f o r d e v i c e s w i t h v a r y i n g t h i c k n e s s T h i s r e s u l t w a s c l o s e t o t h e v a l u e o f B ( 2 5 8 ) o b t a i n e d i n [ 3 6 ] A s t h i s s e n s i t i v i t y o f p a r a m e t e r B i n c r e a s e d w i t h d e c r e a s i n g o x i d e t h i c k n e s s m o s t o f t h e f o c u s w a s o n d e v i c e s w i t h 7 n m o x i d e t h i c k n e s s F l a t B a n d v o l t a g e w a s a l s o e x t r a c t e d f r o m t h i s d a t a I t w a s o b s e r v e d t h a t f o r n t y p e d e v i c e t h e F l a t B a n d v o l t a g e v a r i e d f r o m 0 9 0 V t o 1 1 0 V a n d f o r p t y p e i t v a r i e d f r o m 1 8 0 V t o 2 1 0 V I t w a s n o t i c e d t h a t f o r t h i c k n e s s a r o u n d 7 n m w i d e v a r i e t y o f r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f o r t h e F o w l e r N o r d h e i m p a r a m e t e r B I n o t h e r w o r d s t h e s l o p e v a r i a t i o n o b s e r v e d w a s m o r e t h a n t h e o t h e r t h i c k n e s s r a n g e s R e s e a r c h e r s h a v e a g r e e d t h a t b e l o w 5 n m t h i c k n e s s r a n g e F o w l e r N o r d h e i m T u n n e l i n g i s n o l o n g e r d o m i n a n t T h e c o n d u c t i o n i s e x p l a i n e d b y D i r e c t T u n n e l i n g H o w e v e r b a s e d o n t h e r e s u l t s w h i c h e x h i b i t e d w i d e r a n g e f o r p a r a m e t e r B i t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e e f f e c t s o f D i r e c t T u n n e l i n g c o u l d a l r e a d y b e f e l t f o r 7 n m o x i d e t h i c k n e s s F o r N V M t h e d i f f e r e n c e i n t h e t h r e s h o l d v o l t a g e a f t e r w r i t i n g a n d e r a s i n g t h e s o c a l l e d m e m o r y w i n d o w i s o n e o f t h e m a j o r c o n c e r n s i n t h e d e s i g n o f d e v i c e T h i s d i f f e r e n c e i s g i v e n b y 2/ C Q VT = D ( 5 1 ) w h e r e Q i s t h e c h a r g e i n t h e f l o a t i n g g a t e o f t h e d e v i c e a n d C2 i s t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e c o n t r o l g a t e a n d t h e f l o a t i n g g a t e A s c a n b e s e e n f r o m e q u a t i o n 5 1 c h a n g e i n t h r e s h o l d v o l t a g e i s s e n s i t i v e t o t h e c h a r g e i n t h e f l o a t i n g g a t e w h i c h i n t u r n d e p e n d s o n t h e c u r r e n t d e n s i t y T h i s c u r r e n t d e n s i t y w h i c h d e p e n d s u p o n t h e b a r r i e r h e i g h t i s g i v e n

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7 3 b y e q u a t i o n 4 5 A s c a n b e s e e n F N p a r a m e t e r B i s e x p o n e n t i a l t e r m i n t h e e q u a t i o n H e n c e i t w o n ’ t b e w r o n g t o d e d u c t t h a t i t i s t h e m o s t d o m i n a n t f a c t o r i n d e t e r m i n i n g c u r r e n t d e n s i t y T h e v a r i a t i o n o f B f o r o x i d e t h i c k n e s s i n t h e r a n g e o f 7 n m i s a t t r i b u t e d t o t h e e n h a n c e m e n t i n t h e l e a k a g e c u r r e n t d u e t o t h e d i r e c t t u n n e l i n g T h e d i r e c t t u n n e l i n g d e p e n d s u p o n t h e b a r r i e r h e i g h t a n d o x i d e t h i c k n e s s H e n c e t o h a v e t i g h t c o n t r o l o v e r VT f o r a N V M n e w a l g o r i t h m s n e e d t o b e d e v e l o p e d f o r e v e n b e t t e r p r o c e s s c o n t r o l f o r o x i d e t h i c k n e s s i n t h e r a n g e o f 7 n m a n d b e l o w

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7 4 R e f e r e n c e s [ 1 ] M B o h r S U A h m e d L B r i g h a m R C h a u R G a s s e r R G r e e n W H a r g r o v e E L e e R N a t t e r S T h o m p s o n K W e l d o n a n d S Y a n g I E D M T e c h n i c a l D i g e s t 1 9 9 4 p 2 7 3 [ 2 ] M B o h r S S A h m e d S U A h m e d M B o s t T G h a n i J G r e a s o n R H a i n s e y C J a n P P a c k a n S S i v a k u m a r S T h o m p s o n J T s a i a n d S Y a n g I E D M T e c h n i c a l D i g e s t 1 9 9 6 p 8 4 7 [ 3 ] R H D e n n a r d F H G a e n s s l e n H N Y u V L R i d e o u t E B a s s o u s a n d A R L e B l a n c “ D e s i g n o f I o n I m p l a n t e d M O S F E T s w i t h V e r y S m a l l P h y s i c a l D i m e n s i o n s ” I E E E J S o l i d S t a t e C i r c u i t s S C 9 2 5 6 2 6 8 ( 1 9 7 4 ) [ 4 ] Y T a u r D A B u c h a n a n W C h e n D J F r a n k K E I s m a i l S H L o G A S a i H a l a s z R G V i s w a n a t h a n H J C W a n n S J W i n d a n d H S W o n g “ C M O S S c a l i n g i n t o t h e N a n o m e t e r R e g i m e ” P r o c I E E E 8 5 4 8 6 – 5 0 4 ( 1 9 9 7 ) [ 5 ] S e m i c o n d u c t o r I n d u s t r y A s s o c i a t i o n N a t i o n a l T e c h n o l o g y R o a d m a p f o r S e m i c o n d u c t o r s 1 9 9 7 ( S e m a t e c h I n c A u s t i n T e x a s 1 9 9 7 ) ; h t t p : / / w w w s e m a t e c h o r g [ 6 ] S O h m i C K o b a y a s h i E T o k u m i t s u H I s h i w a r a a n d H I w a i E x t A b s S S D M T o k y o J a p a n p p 4 9 6 4 9 7 2 0 0 1 [ 7 ] M T a k a y a n a g i S T a k a g i a n d Y T o y o s h i m a P r o c I R P S O r l a n d o F L p p 3 8 0 3 8 5 2 0 0 1 [ 8 ] J R H a u s e r I E D M S h o r t C o u r s e W a s h i n g t o n D C D e c e m b e r 1 9 9 9 [ 9 ] P P a v a n R B e z P O l i v o a n d E Z a n o n i “ F l a s h M e m o r y C e l l s — A n O v e r v i e w ” P r o c I E E E 8 5 1 2 4 8 1 2 6 2 ( 1 9 9 7 ) [ 1 0 ] H K H e n i s c h R e c t i f y i n g S e m i c o n d u c t o r C o n t a c t s C l a r e n d o n O x f o r d 1 9 5 7 [ 1 1 ] P h y s i c s o f S e m i c o n d u c t o r D e v i c e s S e c o n d e d i t i o n S M S z e W i l e y & S o n s 1 9 8 1 C h a p t e r 8

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7 5 [ 1 2 ] M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y “ M i c r o e l e c t r o n i c s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ” F a l l 2 0 0 1 [ 1 3 ] J E L i l i e n f e l d U S P a t e n t 1 7 4 5 1 7 5 ( 1 9 3 0 ) a n d O H e i l B r i t i s h P a t e n t 4 3 9 4 5 7 ( 1 9 3 5 ) [ 1 4 ] B a r t V a n Z e g h b r o e c k “ P r i n c i p l e o f S e m i c o n d u c t o r D e v i c e s ” 1 9 9 9 h t t p : / / e c e w w w c o l o r a d o e d u / ~ b a r t / e c e n 5 3 5 5 / n e w b o o k / [ 1 5 ] A C h i m e n t o n P P e l l a t i a n d P O l i v o “ O v e r e r a s e P h e n o m e n a : A n I n s i g h t I n t o F l a s h M e m o r y R e l i a b i l i t y ” P r o c I E E E 9 1 N O 4 A p r i l 2 0 0 3 [ 1 6 ] M i c r o n T e c h n o l o g y I n c “ B o o t B l o c k F l a s h m e m o r y ” T N 2 8 0 1 F T 0 1 p 6 5 R e v 1 2 / 9 9 [ 1 7 ] S T h o m p s o n P P a c k a n a n d M B o h r M O S S c a l i n g : T r a n s i s t o r C h a l l e n g e s f o r t h e 2 1 s t C e n t u r y I n t e l T e c h n o l o g y J o u r n a l ( 1 9 9 8 ) [ 1 8 ] Y T a u r “ C M O S d e s i g n n e a r t h e l i m i t o f s c a l i n g ” I B M J o u r n a l o f R e s e a r c h & D e v e l o p m e n t V o l 4 6 N u m b e r s 2 / 3 2 0 0 2 [ 1 9 ] S H L o D A B u c h a n a n Y T a u r a n d W W a n g “ Q u a n t u m M e c h a n i c a l M o d e l i n g o f E l e c t r o n T u n n e l i n g C u r r e n t f r o m t h e I n v e r s i o n L a y e r o f U l t r a T h i n O x i d e n M O S F E T s ” I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t t 1 8 2 0 9 – 2 1 1 ( 1 9 9 7 ) [ 2 0 ] M L e n z l i n g e r a n d E H S n o w “ F o w l e r – N o r d h e i m T u n n e l i n g i n t o T h e r m a l l y G r o w n S i O 2 ” J A p p l P h y s 4 0 2 7 8 – 2 8 3 ( 1 9 6 9 ) [ 2 1 ] M a s e r j i a n T u n n e l i n g i n T h i n M O S S t r u c t u r e s J V a c S c i T e c h n o l 1 1 N o 6 9 9 6 1 0 0 3 ( 1 9 7 4 ) [ 2 2 ] M D e p a s B V e r m e i r e P W M e r t e n s R L V a n M e i r h a e g h e a n d M M H e y n s I M E C K a p e l d r e e r 7 5 B 3 0 0 1 L e u v e n a n d D e p a r t m e n t o f S o l i d S t a t e S c i e n c e U n i v e r s i t y o f G h e n t K r i j g s l a a n 2 8 1 S 1 B 9 0 0 0 G h e n t B e l g i u m [ 2 3 ] J F r o s c h a n d L D e r i c k “ S u r f a c e P r o t e c t i o n a n d S e l e c t i v e M a s k i n g D u r i n g D i f f u s i o n i n S i l i c o n ” P r o c E l e c t r o c h e m S o c p 5 4 7 ( 1 9 5 7 ) [ 2 4 ] D K h a n g “ S i l i c o n – S i l i c o n D i o x i d e S u r f a c e D e v i c e ” ( B e l l L a b o r a t o r i e s t e c h n i c a l m e m o r a n d u m i s s u e d o n J a n u a r y 1 6 1 9 6 1 ) S e m i c o n d u c t o r D e v i c e s : P i o n e e r i n g P a p e r s S M S z e E d W o r l d S c i e n t i f i c P r e s s S i n g a p o r e 1 9 9 1 p p 5 8 3 – 5 9 6

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7 6 [ 2 5 ] D L C r o o k “ M e t h o d o f D e t e r m i n i n g R e l i a b i l i t y S c r e e n s f o r T i m e D e p e n d e n t R e l i a b i l i t y B r e a k d o w n ” P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l R e l i a b i l i t y P h y s i c s S y m p o s i u m p 1 ( 1 9 7 9 ) [ 2 6 ] J H S t a t h i s “ P h y s i c a l a n d P r e d i c t i v e M o d e l s o f U l t r a T h i n O x i d e R e l i a b i l i t y i n C M O S D e v i c e s a n d C i r c u i t s ” I E E E T r a n s D e v i c e & M a t e r R e l i a b i l 1 4 3 – 5 9 ( 2 0 0 1 ) [ 2 7 ] D J D i M a r i a E C a r t i e r a n d D A r n o l d “ I m p a c t I o n i z a t i o n T r a p C r e a t i o n D e g r a d a t i o n a n d B r e a k d o w n i n S i l i c o n D i o x i d e F i l m s o n S i l i c o n ” J A p p l P h y s 7 3 3 3 6 7 – 3 3 8 4 ( 1 9 9 3 ) [ 2 8 ] C S c h u e g r a f a n d C H u “ M e t a l O x i d e S e m i c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r S u b s t r a t e C u r r e n t D u r i n g F o w l e r – N o r d h e i m T u n n e l i n g S t r e s s a n d S i l i c o n D i o x i d e R e l i a b i l i t y ” J A p p l P h y s 7 6 3 6 9 5 – 3 7 0 0 ( 1 9 9 4 ) [ 2 9 ] D J D i M a r i a a n d J W S t a s i a k “ T r a p C r e a t i o n i n S i l i c o n D i o x i d e P r o d u c e d b y H o t E l e c t r o n s ” J A p p l P h y s 6 5 2 3 4 2 – 2 3 5 6 ( 1 9 8 9 ) [ 3 0 ] R D e g r a e v e G G r o e s e n e k e n R B e l l e n s J L O g i e r M D e p a s P J R o u s s e l “ N e w I n s i g h t s i n t h e R e l a t i o n B e t w e e n E l e c t r o n T r a p G e n e r a t i o n a n d t h e S t a t i s t i c a l P r o p e r t i e s o f O x i d e B r e a k d o w n ” I E E E T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r o n D e v i c e s V o l 4 5 N o 4 p p 9 0 4 9 1 1 ( 1 9 9 8 ) [ 3 1 ] R D e g r a e v e G G r o e s e n e k e n R B e l l e n s M D e p a s a n d H E M a e s “ A C o n s i s t e n t M o d e l f o r t h e T h i c k n e s s D e p e n d e n c e o f I n t r i n s i c B r e a k d o w n i n U l t r a T h i n O x i d e s ” I E D M T e c h D i g e s t p 8 6 6 ( 1 9 9 5 ) [ 3 2 ] C H u “ G a t e O x i d e S c a l i n g L i m i t s a n d P r o j e c t i o n ” I E D M T e c h D i g e s t p p 3 1 9 – 3 2 2 ( 1 9 9 6 ) [ 3 3 ] M L G r e e n E P G u s e v R D e g r a e v e a n d E L G a r f u n k e l “ U l t r a t h i n ( < 4 n m ) S i O 2 a n d S i O N G a t e D i e l e c t r i c L a y e r s f o r S i l i c o n M i c r o e l e c t r o n i c s : U n d e r s t a n d i n g t h e P r o c e s s i n g S t r u c t u r e a n d P h y s i c a l a n d E l e c t r i c a l L i m i t s ” J A p p l P h y s 9 0 2 0 5 7 – 2 1 2 1 ( 2 0 0 1 ) [ 3 4 ] J H S t a t h i s a n d D J D i M a r i a “ R e l i a b i l i t y P r o j e c t i o n f o r U l t r a T h i n O x i d e s a t L o w V o l t a g e ” I E D M T e c h D i g e s t p p 1 6 7 – 1 7 0 ( 1 9 9 8 ) [ 3 5 ] J H S t a t h i s A V a y s h e n k e r P R V a r e k a m p E Y W u C M o n t r o s e J M c K e n n a D J D i M a r i a L K H a n E C a r t i e r R A W a c h n i k a n d B P L i n d e r “ B r e a k d o w n M e a s u r e m e n t s o f U l t r a T h i n S i O 2 a t L o w V o l t a g e ” S y m p o s i u m o n V L S I T e c h n o l o g y D i g e s t o f T e c h n i c a l P a p e r s 2 0 0 0 p p 9 4 – 9 5

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7 7 [ 3 6 ] Y L C h i o u J P G a m b i n o a n d M M o h a m m a d “ D e t e r m i n a t i o n o f t h e F o w l e r N o r d h e i m t u n n e l i n g p a r a m e t e r s f r o m t h e F o w l e r N o r d h e i m p l o t ” S o l i d S t a t e E l e c t r o n i c s 4 5 ( 2 0 0 1 ) 1 7 8 7 1 7 9 1 [ 3 7 ] I n s t r u c t i o n M a n u a l M o d e l 6 1 7 P r o g r a m m a b l e E l e c t r o m e t e r K e i t h l e y I n s t r u m e n t I n c 1 9 8 4 [ 3 8 ] I n s t r u c t i o n M a n u a l M o d e l 2 3 0 P r o g r a m m a b l e V o l t a g e s o u r c e K e i t h l e y I n s t r u m e n t I n c 1 9 8 8

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7 8 A p p e n d i c e s

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7 9 A p p e n d i x A : F a c t o r s A f f e c t i n g T e s t i n g o n P r o b e S t a t i o n F o l l o w i n g a r e t h e m o s t c o m m o n p r o b l e m s e n c o u n t e r e d p r o b i n g a t v e r y l o w c u r r e n t l e v e l s A 1 R a n d o m N o i s e I n t r o d u c t i o n T h i s c a t e g o r y i n c l u d e s s u c h p r o b l e m s a s E M n o i s e t r a n s m i t t e d t h r o u g h s h i e l d i n g c h a r g e c o u p l e d n o i s e r e s u l t i n g f r o m a c t i v i t y a r o u n d t h e t e s t s e t u p a n d t r i b o e l e c t r i c e f f e c t s i n d u c e d t h r o u g h p r o b e c a b l e s T h e d a t a t e n d s t o s h o w l a r g e d i s t o r t i o n w h i c h a r e h o w e v e r n o t p e r i o d i c i n n a t u r e T h e b e s t w a y t o t a k e c a r e o f t h i s p r o b l e m i s b y c o r r e c t i n g S h i e l d i n g p r o b l e m s s e l e c t i n g p r o p e r c a b l e t o b e u s e d i n t e s t i n g p r o p e r m o u n t i n g a n d s t r a i n r e l i e f t o a v o i d t r i b o e l e c t r i c e f f e c t s A 2 P e r i o d i c N o i s e I n t r o d u c t i o n S o m e s o u r c e s c a n c a u s e p e r i o d i c n o i s e i n t h e t e s t d a t a T h e s e s o u r c e s p r o d u c e d a t a t h a t i s r e p e a t e d t h r o u g h o u t t h e t e s t a n d m a y a p p e a r i n m u l t i p l e p e r i o d i c f o r m s T h e s h o r t n o i s e c o u l d b e c a u s e d b y a i l l u m i n a t o r p o w e r s u p p l y f a n r e s t i n g o n t h e p r o b e r v i b r a t i o n i s o l a t i o n t a b l e w h i l e t h e l a r g e r n o i s e i s c a u s e d b y i m p r o p e r t u n i n g ( a i r p r e s s u r e o r b a l a n c i n g ) o f t h e v i b r a t i o n t a b l e p r o d u c i n g l o w f r e q u e n c y v i b r a t i o n e f f e c t s A 3 N o i s e C o u p l e d T h r o u g h M e a s u r e m e n t E q u i p m e n t P o o r t e s t e r a n d p r o b e r g r o u n d i n g o r a p o o r l y i s o l a t e d p r o b e w i l l a l l o w e l e c t r i c a l n o i s e f r o m p o w e r s u p p l i e s o r e x t e r n a l c i r c u i t s t o e n t e r t h e p r o b i n g e n v i r o n m e n t a n d b e c o u p l e d t o t h e m e a s u r e m e n t

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8 0 A p p e n d i x A : ( C o n t i n u e d ) A 4 P r o b e C o n t a c t M a n y t i m e s n o i s y d a t a c a n r e s u l t f r o m a b a d p r o b e c o n t a c t T h i s s h o w s o n t h e g r a p h a s d i s t o r t i o n s a t l o w e r c u r r e n t l e v e l s a n d m a y d i s a p p e a r c o m p l e t e l y a t t h e h i g h e r l e v e l s S u c h a p r o b e s h o u l d b e r e p l a c e d o r a p r o b e w i t h l o w e r r e s i s t a n c e t i p p r o p e r t i e s s h o u l d b e u s e d A 5 L e a k y P r o b e s L e a k y p r o b e s d i s t o r t d a t a b y o f f s e t t i n g i t T h i s i s a s e r i o u s p r o b l e m a s l e a k a g e p a t h s i n m o s t h i g h p e r f o r m a n c e p r o b e s a r e c a p a c i t a t i v e i n n a t u r e a n d s o t h e y c h a r g e c h a n g i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o v e r t i m e L e a k y p r o b e s c a n a l s o c o u p l e c u r r e n t t o g o o d p r o b e s i n c l o s e p r o x i m i t y T h u s i t c a n b e s a i d t h a t o n e b a d p r o b e c a n m a k e a l l o t h e r s l o o k l e a k y a s w e l l H o w e v e r t h e s o l u t i o n i s e a s y G e n e r a l l y a l l l e a k y p r o b e s a r e e a s i l y s p o t t e d w i t h a v o l t a g e s w e e p A 6 F a c t o r A f f e c t i n g t h e L o w L e v e l E n v i r o n m e n t C u r r e n t T e s t i n g A n u m b e r o f f a c t o r s m a y e f f e c t l o w l e v e l m e a s u r e m e n t S u c h f a c t o r s a n d t h e i r c u r e h a v e b e e n d e s c r i b e d i n b r i e f b e l o w : A 6 1 C o m m o n I m p e d a n c e C o m m o n i m p e d a n c e i s a n i m p e d a n c e o r c u r r e n t p a t h s h a r e d b y a s o u r c e o f n o i s e a n d t h e r e c e i v i n g i n s t r u m e n t T h e n o i s e s o u r c e c a u s e s t h e c u r r e n t t o f l o w t h r o u g h t h e c o m m o n i m p e d a n c e I f t h i s c o m m o n i m p e d a n c e i s i n p a r a l l e l w i t h t h e i n s t r u m e n t ’ s i n p u t a n o i s e v o l t a g e w i l l b e c o u p l e d i n t o t h e m e a s u r e d s i g n a l I f t h e i n s t r u m e n t i s m e a s u r i n g c u r r e n t

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8 1 A p p e n d i x A : ( C o n t i n u e d ) t h e n t h e c u r r e n t f l o w i n g t h r o u g h t h e c o m m o n i m p e d a n c e w i l l a l g e b r a i c a l l y s u m w i t h t h e s i g n a l c u r r e n t a t t h e c o n n e c t i n g n o d e A 6 1 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e C u r r e n t p a t h s b e t w e e n d i f f e r e n t c i r c u i t f u n c t i o n s n e e d t o b e i s o l a t e d A l s o u n i n t e n d e d c o n t a c t b e t w e e n t h e g r o u n d c o n d u c t o r s t h a t r e s i d e i n d i f f e r e n t p a r t s o f t h e c i r c u i t s h o u l d b e r e m o v e d A 6 2 M a g n e t i c a l l y C o u p l e d N o i s e N o i s e i s i n t r o d u c e d d u e t o m a g n e t i c c o u p l i n g w h i c h m a y b e d u e t o m o t o r s t r a n s f o r m e r s a n d f a c i l i t y w i r i n g A 6 2 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s T h e b e s t w a y t o o v e r c o m e s u c h a n o i s e i s t o r e m o v e u n n e c e s s a r y s o u r c e o f e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y i n t h e a r e a o f t e s t c i r c u i t A 6 3 I n c i d e n t a l C a p a c i t i v e C o u p l i n g N o i s e c u r r e n t c a n b e c o u p l e d t o t h e m e a s u r e m e n t c i r c u i t v i a s t r a y c a p a c i t a n c e S t r a y c a p a c i t a n c e i s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e d i s t a n c e b e t w e e n c o n d u c t o r s I f t h e c i r c u i t u n d e r t e s t h a s h i g h i m p e d a n c e i t w i l l s e e a n o i s e v o l t a g e I f t h e i m p e d a n c e i s l o w a c u r r e n t w i l l b e d e v e l o p e d

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8 2 A p p e n d i x A : ( C o n t i n u e d ) A 6 3 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s A d i s t a n c e s h o u l d b e m a i n t a i n e d b e t w e e n u n s h i e l d e d n o i s e s o u r c e s a n d t h e t e s t c i r c u i t S e p a r a t i o n o f t w o w i r e s b y a d i s t a n c e w h i c h i s m o r e t h a n 4 0 d i a m e t e r w i l l p r o v i d e g o o d e l e c t r o s t a t i c i s o l a t i o n A c t i v e g u a r d s h i e l d s w i l l a l s o p r o v i d e g o o d p r o t e c t i o n A 6 4 C h a r g e T r a n s f e r I f a c h a r g e b o d y i s b r o u g h t i n p r o x i m i t y t o t h e t e s t c i r c u i t t h a t c h a r g e w i l l a t t r a c t o r r e p e l c h a r g e i n t h e t e s t c i r c u i t a n d c a u s e m o m e n t a r y e l e c t r o n f l o w A h u m a n b o d y i s a t y p i c a l c h a r g e v e h i c l e A 6 4 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e L i m i t e d a c t i v i t y i n t h e a r e a o f t e s t c i r c u i t m e a s u r e m e n t s h o u l d b e c a r r i e d o u t A 6 5 L i g h t S e m i c o n d u c t o r d e v i c e s a r e g e n e r a l l y l i g h t s e n s i t i v e T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e f o r M O S F E T d e v i c e s t h a t r e l y o n m i n o r i t y c a r r i e r s f o r c o n d u c t i o n A t f e m t o a m p e r e l e v e l s t h e c u r r e n t i n d u c e d b y e x p o s u r e t o l i g h t w i l l o b l i t e r a t e m a n y m e a s u r e m e n t s A 6 5 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s A l i g h t t i g h t e n c l o s u r e ( L T E ) s h o u l d b e u s e d a r o u n d t h e t e s t c i r c u i t

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8 3 A p p e n d i x A : ( C o n t i n u e d ) A 6 6 I n t r i n s i c N o i s e S o u r c e s A t l o w f A l e v e l s n o i s e i s p r o d u c e d d u e t o t h e c o a x i a l a n d t r i a x i a l c a b l e s T h i s n o i s e m a y r e s u l t i n f l o w o f u n w a n t e d c u r r e n t A l s o c o n t a c t s b e t w e e n d i s s i m i l a r m e t a l s c r i m p j o i n t s m a y d e v e l o p t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e S e e b e c k v o l t a g e s w h i c h i s n o t h i n g b u t t h e t h e r m a l n o i s e A 6 6 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s A l l t h e c a b l e s i n v o l v e d i n t h e t e s t m u s t b e a l l o w e d t o r e s t A n c h o r i n g t h e c a b l e i s a n o t h e r w a y o f r e d u c i n g n o i s e I t s h o u l d b e m a d e s u r e t h a t c o n t a c t s a r e m a d e b e t w e e n s i m i l a r m e t a l s t o c h e c k t h e r m a l n o i s e A 6 7 L e a k a g e C u r r e n t I n s u l a t i o n i s n o t 1 0 0 % l e a k f r e e S o i n s u l a t i o n u s e d i n c a b l i n g c o n n e c t o r s a n d p r o b e s e t c w i l l p e r m i t a d e g r e e o f l e a k a g e t h a t c a n a g a i n h a m p e r t h e m e a s u r e m e n t s A 6 7 1 P r e v e n t i v e M e a s u r e s A n a c t i v e g u a r d e d s h i e l d o n a l l c a b l e s s h o u l d b e u s e d t o k e e p t h e d i f f e r e n t i a l v o l t a g e a t a v e r y l o w l e v e l A 7 W o r k D o n e o n t h e P r o b e S t a t i o n i n N o i s e a n d R e l i a b i l i t y L a b T h e p r o b e s t a t i o n w a s r e c e i v e d f r o m L u c e n t L a b s O n e o f t h e a i r v a l v e s i n o n e o f t h e l e g s o f t h e s t a t i o n w a s l e a k i n g T h i s m e a n t t h a t t h e l i f t w a s n o t a s w a s r e q u i r e d T h i s a i r v a l v e

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8 4 A p p e n d i x A : ( C o n t i n u e d ) w a s r e p l a c e d A l s o a s t h e r e w a s n o s e p a r a t e v a c u u m l i n e a v a i l a b l e i n t h e l a b a m o t o r w a s b r o u g h t t h a t c o u l d c r e a t e v a c u u m t o h o l d t h e s a m p l e A c o v e r f o r t h e s t a t i o n w a s m a d e s o t h a t i t c o u l d b e i s o l a t e d f r o m t h e n o i s y e n v i r o n m e n t a r o u n d

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8 5 A p p e n d i x B : L a b V I E W a n d I n t e g r a t e d C i r c u i t T e s t i n g B 1 I n t r o d u c t i o n T h e p r o g r a m w a s d e v e l o p e d i n L a b V I E W t o t e s t i n t e g r a t e d c i r c u i t s T h e p r o g r a m w a s a b l e t o t u r n o n a K e i t h l e y 2 3 0 P r o g r a m m a b l e V o l t a g e S o u r c e a n d r e c o r d t h e c u r r e n t m e a s u r e d c u r r e n t m e a s u r e d f r o m a K e i t h l e y 6 1 7 P r o g r a m m a b l e E l e c t r o m e t e r T h e m e a s u r e d d a t a w a s t h e n g r a p h e d o v e r t i m e L a b V I E W i s a g r a p h i c a l p r o g r a m m i n g l a n g u a g e u s e d b y m a n y p e o p l e f o r d a t a a c q u i s i t i o n a n d f o r c o n t r o l l i n g l a b o r a t o r y i n s t r u m e n t s L a b V I E W u s e s g r a p h i c a l b l o c k d i a g r a m s i n s t e a d o f c o n v e n t i o n a l c o d e t o w r i t e p r o g r a m s T h e d i a g r a m s a r e c o m p l i e d b y L a b V I E W i n t o m a c h i n e c o d e f o r t h e c o m p u t e r t o p r o c e s s L a b V I E W p r o g r a m s a r e c a l l e d v i r t u a l i n s t r u m e n t s o r V I ’ s E a c h V I c o n s i s t s o f a f r o n t p a n e l a n d a b l o c k d i a g r a m T h e f r o n t p a n e l i s t h e g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e o f t h e V I T h i s i s t h e s c r e e n t h a t t h e u s e r w i l l s e e w h e n t h e y r u n t h e p r o g r a m T h e f r o n t p a n e l u s u a l l y c o n t a i n s k n o b s p u s h b u t t o n s g r a p h s a n d o t h e r g r a p h i c s f o r t h e u s e r t o i n t e r f a c e w i t h T h e b l o c k d i a g r a m i s t h e V I ’ s s o u r c e c o d e T h e s o u r c e c o d e i s w r i t t e n i n t h e g r a p h i c a l p r o g r a m m i n g l a n g u a g e c a l l e d “ G ” T h e b l o c k d i a g r a m u s u a l l y c o n t a i n s s u b V I ’ s ( s u b r o u t i n e s ) b u i l t i n f u n c t i o n s a n d p r o g r a m e x e c u t i o n c o m m a n d s T h e g r a p h i c a l c o m m a n d s w e r e w i r e d t o g e t h e r t o s h o w h o w d a t a f l o w s t h r o u g h t h e p r o g r a m E a c h c o m p o n e n t i n t h e f r o n t p a n e l w a s r e p r e s e n t e d i n t h e b l o c k d i a g r a m s o t h a t d a t a c a n f l o w b e t w e e n t h e p r o g r a m a n d t h e u s e r

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86 Appendix B: (Continued) B.2 Front panel of the VI Figure B.1 illustrates the front panel of the program. From the front panel the user can decide how to test the integrated circuit. The controls on the left side of the front panel command the Keithley 617 Electrometer and the control panel on the right side, commands the Keithley 230 Voltage Source. The following pages will describe the main components of the front panel of the LabVIEW software written during the course of this research. Figure B.1 Front Panel of VI

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87 Appendix B: (Continued) B.3 Block diagram of the VI Figure B.2 illustrates part of the Block Diagram (source code) for the program. Notice that the Block Diagram has been placed in what appears to be a frame of film. This is called Sequence Structure. This program has four frames, numbered 0-3. Only one frame is usually visible at a time. To see the other frames user can click on the arrows at the top of the frame. Figure 2 shows the first frame in our Block Diagram. In this frame both the Keithley 617 and the Keithley 230 are turned on and programmed according to the users inputs in the front panel. btnnftrrnrrbtrtb btrrbrtbrt b!"rn#tr!"bb!" $b#b%b#b&$'$n$(btbn bfrb )*+,-./*0.+*12 3 45670896"7:9-0)2 n !" r!" b!"'$ ;8<;/*6<.-9=2 /*6<.*5092 6.=:*-5.) 9-":*-5.) +*1 )95/7. #>-8+80+2 "=.--08+. ,/9
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88 Appendix B: (Continued) Figure B.3 below shows the second frame in our Block Diagram. In this frame the Electrometer takes the upto 100 sample, records the time the samples were taken, lists the results in the tables in the front panel, and graphs the results. The program stays in this frame until the user moves the switch to the Stop Program position. When the switch has been pressed the program stops taking data and continues to the third frame of the Block Diagram. bbfbf fbfbbrfb n5//.60.*)5/.+.60 08+.).796") nbb# A b56 /9' +*1 ?((@ Figure B.3 Frame 1 of the Block Diagram

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89 Appendix B: (Continued) Figure B.4 shows frame 3 of the block diagram. These frames clear all data from the Keithley 617 so it can be used again. The memory of the Keithley 617 must be erased before new data points can be taken. bbnbb $ ?((@ Figure B.4 Frame 3 of the Block Diagram B.4 How to run the program The following procedure will take you through step-by-step how to obtain a current versus time plot from LabVIEW. 1. Turn on LabVIEW. 2. Open the file IV.vi

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9 0 A p p e n d i x B : ( C o n t i n u e d ) 3 C h a n g e t h e s a m p l e r a t e t o 1 0 s e c o n d 4 T u r n t h e “ R u n P r o g r a m ” s w i t c h t o t h e o n p o s i t i o n 5 C h a n g e N t o 1 0 0 T h i s w i l l c o m m a n d t h e K e i t h l e y 6 1 7 E l e c t r o m e t e r t o t a k e 1 0 0 s a m p l e s 6 E n t e r t h e i n p u t v o l t a g e r a n g e 7 S e t t h e d w e l l t i m e s f o r e a c h i n p u t v o l t a g e 8 M o v e t h e F u n c t i o n V e r t i c a l S l i d e t o d c A T h i s t e l l s t h e E l e c t r o m e t e r t o t a k e c u r r e n t m e a s u r e m e n t 9 S e t t h e p r o g r a m f u n c t i o n t o c o n t i n u o u s 1 0 P u s h t h e “ R u n P r o g r a m ” b u t t o n i n t h e u p p e r l e f t c o r n e r o f t h e L a b V I E W w i n d o w 1 1 W a t c h t h e d a t a l i g h t o n t h e E l e c t r o m e t e r W h e n t h e d a t a l i g h t b e g i n s t o b l i n k t h e E l e c t r o m e t e r i s n o l o n g e r r e c o r d i n g d a t a ( O v e r f l o w h a s o c c u r r e d ) 1 2 T o s t o p t h e p r o g r a m t u r n t h e “ R u n P r o g r a m ” s w i t c h t o t h e o f f p o s i t i o n A f t e r a f e w s e c o n d s t h e g r a p h i n t h e b o t t o m l e f t c o r n e r o f t h e w i n d o w w i l l a p p e a r w i t h t h e c u r r e n t v e r s u s t i m e p l o t