Rev. Phys. Appl. (Paris) 21, 305-318 (1986)
DOI: 10.1051/rphysap:01986002105030500

Etude et modélisation de la dégradation des transistors MOS submicroniques soumis à une contrainte électrique

B. Cabon-Till et G. Ghibaudo

Laboratoire de Physique des Composants à Semiconducteurs, UA-CNRS 840, ENSERG, 23 Av. des Martyrs, 38031 Grenoble, France

Abstract
The ageing of submicron MOSTs is studied here by way of the experimental variation of the field effect mobility μFE (normalized transconductance in the ohmic region) with stress time. The changes in the extrapolated threshold voltage and the mobility threshold voltage are also presented. The largest degradations were seen after a long time of ageing at the highest applied gate voltages. By examining the variation of the mobility maximum and the threshold voltages with stress time, two distinct regions were distinguished : firstly, for short stress times, one of dominant mobility degradation, and secondly for stress times of many hours, one of dominant interface states and/or oxide fixed charges generation and a lower rate of mobility variation. The mobility degradation is correlated to the variations of mobility threshold voltage and extrapolated threshold voltage. Experimental results are then analysed with a model of transconductance based on an inversion charge dependent mobility.

Résumé
Le vieillissement des TMOS submicroniques est étudié par l'évolution expérimentale de la mobilité d'effet de champ μFE (transconductance normalisée en régime ohmique) au cours de contraintes de différentes durées. L'évolution de la tension de seuil extrapolée et celle de la tension de seuil de mobilité sont également étudiées. Les dégradations les plus importantes sont observées en fin de contrainte pour les plus fortes tensions de grille appliquées. Les variations du maximum de mobilité et de tensions de seuil au cours du temps montrent deux régimes : prédominance de la dégradation de mobilité en début de contrainte, et création dominante d'états d'interface et/ou de charges fixes avec diminution du taux de variation de mobilité après plusieurs heures de contrainte. Les dégradations de mobilité sont corrélées à la variation de la tension de seuil de mobilité et à celle de la tension de seuil extrapolée. Enfin, les résultats expérimentaux sont analysés grâce à un modèle de transconductance basé sur la dépendance de la mobilité avec la charge d'inversion.

PACS
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7340Q - Electrical properties of metal insulator semiconductor structures.
2530F - Metal insulator semiconductor structures.
2560R - Insulated gate field effect transistors.

Key words
carrier lifetime -- carrier mobility -- insulated gate field effect transistors -- metal insulator semiconductor devices -- degradation -- submicron MOSFETs -- electrical stress -- field effect mobility -- extrapolated threshold voltage -- mobility threshold voltage -- ageing -- mobility maximum -- dominant mobility degradation -- stress times -- dominant interface states -- oxide fixed charges generation -- transconductance