Electroluminescence measurements of memory devices 1

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1 Electroluminescence measurements of memory devices 1

2 Electroluminescence measurements of memory devices Student Yu-Ru Chen Advisor Dr. Fu-Ming Pan A Thesis Master Degree Program of Semiconductor Material and Processing Equipment College of Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science In Program of Semiconductor Material and Processing Equipment July 2005 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 2

3 NBit trapped NBit n MOSFET - - SiO 2 -Si 3 N 4 -SiO 2 SONOS Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon NBit N+ FN tunneling band to band tunneling photoemission microscopy nm 1 ev 3 ev NBit i

4 Electroluminescence measurements of memory devices Student Yu-Ru Chen Advisor Dr. Fu-Ming Pan Program of Semiconductor Material and Processing Equipment College of Engineering National Chiao Tung University Abstract In this paper, we study the light emission in an NBit memory device. We measure the light emission at various conditions and propose a possible mechanism. Finally, we want to optimize the bias condition and the composition of the materials. NBit memory device is made of a n-channel MOSFET with an oxide-nitride-oxide gate structure. The device structure is usually called SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) structure. The charges are stored in the trap of the nitride layer. When the device is biased, we detect lights emitting from the SONOS structure. Under this bias condition, electrons and holes inject into the nitride and emit light via recombination. We apply several bias conditions to create different injections behaviors of electrons and holes, thereby we analyze the spectrum of the emitted light to understand the physical mechanism. In the experiment, we apply a negative bias on the poly-gate and positive bias on the n + junction, electrons will inject into the nitride from the poly-gate via Fowler-Nordheim tunneling. Meanwhile, band-to-band tunneling induced hot holes from the n + junction will also inject into the nitride. The carriers recombine and emit photons. The photoemission microscopy can detect the strength and analyze the spectrum of the light. The light spectrum ranged from infrared ray to visible ray wavelength: 400~1100 nm. The photon energy ranged from 1 ev to 3 ev. We implement the photoemission microscopy to the failure test and reliability measurement of NBit memory devices and the failure mode is studied in terms of the physical mechanism of the light emission in the NBit devices. ii

5 iii

6 i ii iii iv v vi NBit NBit NBit iv

7 4-1. v

8 1-1. n MOSFET 1-2. NBit 1-3. indirect bandgap 1-4. uncertainty principle 1-5. direct bandgap 2-1. PN 2-2. PN 2-3. FN Fowler-Nordheim tunneling 2-4. FN 2-5. channel hot electrons 2-6. band-to-band tunneling induced hot hole injection 2-7. hot holes SONOS band to band hot carrier NBit a FN b FN vi

9 4-2. a b 4-3. a b 4-4. a NBit Vg/Vd/Vs=-16/5.8/0 CCD b NMOS CCD 4-5. NMOS 4-6. NBit FN MOS nm NBit a 5.8 V CCD b -16 V 4.6 V~5.8 V CCD V NBit 700~800 nm V V NBit vii

10 600~700 nm V ~ MOSFET Id Vd Vd=5.8 V Vg=-16 V p NMOSFET Id Vg viii

11 NBit NBit CMOS NBit n MOSFET (SiO 2 -Si 3 N 4 -SiO 2 ) 1-2 (trapped) Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon SONOS localized charge storage NBit NBit NBit NBit 1

12 NBit indirect bandgap [1] phonon 1-3 Heisenbergís uncertainty principle x k=constant 1-4 [2] [3] - direct bandgap [1] k 値 1-5 NBit NBit NBit 2

13 Vs poly gate Tunnel Dielectric Vd N+ N+ P-Substrate 1-1. n MOSFET Vg poly gate oxide Vs nitride oxide N + N + Vd p-well 1-2. NBit 3

14 hυ E K phonon 1-3. indirect bandgap 4

15 hυ E K 1-4. uncertainty principle 5

16 hυ E K 1-5. direct bandgap 6

17 2.1 pn FN Fowler-Nordheim tunneling band-to-band tunneling induced hot hole injection NBit band-to-band hot carrier photoemission microscopy pn pn light emitting diode LED pn pn forward biased pn junctions pn p n p n 7

18 p n minority carrier injection n n n p [4] 2-1 pn band to band recombination 1100 nm [5] pn pn reverse biased pn junctions pn pn p n p n p 8

19 n - - avalanche process impact ionization process 2-2 pn [6] pn PN [7] 2.3 NBit FN Fowler-Nordheim tunneling Fowler-Nordheim [8] - - silicon-sio 2 -polysilicon 2-3 [9] Fowler-Nordheim cold cathodes Fowler Nordheim [10] Fowler-Nordheim 9

20 [8] J TUN ( 2m ox ) 3 2 q F OX m0 4 = exp 2 16π hm oxφ' Β 3hq 3 2 Φ' F 3 2 Β OX 2.1 q C F OX h h 2π m kg m ox Φ' Β Si-SiO ev FN NBit FN NBit SONOS 2-4 channel hot electrons NBit 2-5 [11] NBit (threshold voltage) NBit FN NBit 10

21 NBit MOSFET NBit FN NBit band-to-band tunneling induced hot hole injection F Si 1MV/cm MOS band-to-band tunneling BBT Zener tunneling [12] [13] MOS gate induced drain leakage current GIDL [14] [15] subthreshold [16] [14] [17] [18]

22 NBit accumulation inversion layer deep depletion region accumulated channel Angstrom NBit 0<Vg<<Vd Vd>0 breakdown NBit NBit deep-depletion-mode drain 12

23 breakdown Vg<0 Vd>0 N+ - / inversion layer deep-depletion NBit 2-8 n+ ONO [19] ONO [20] band to band hot carrier NBit silicon-oxide-nitride-oxide-silicon SONOS ev 5.1 ev 3.1 ev 4.8 ev [21] band to band hot carrier 2-10 FN n+ p 13

24 NBit FN / 14

25 n p Ec Ev 2-1. PN 15

26 n p tunneling + recombination 2-2. PN 16

27 Ec Ev e - Ec Ev Substrate Oxide Poly-Gate 2-3. FN Fowler-Nordheim tunneling 17

28 Vg=-23 V Vs=floating poly gate oxide nitride oxide N + N + P-well Vd=floating Vb=0 V 2-4. FN Vg> 0 V poly gate Vs=0 V oxide nitride oxide Vd> 0 V N + N + P-well 2-5. channel hot electrons Vb=0 V 18

29 GIDL current Electron Hole lateral field heating hole injection Poly-gate Oxide n-type drain 2-6. band-to-band tunneling induced hot hole injection 19

30 0 < Vg << Vd Vs=0 V poly gate oxide nitride oxide Vd >0 V N + N + P-well 2-7. hot holes Vg <0 V poly gate oxide nitride Vd >0 V oxide N + P-well

31 3.1eV 1.05eV 3.1eV 1.1eV 5.1eV 1.1eV 4.8eV 2.85eV 4.8eV Poly-Si top Si 3 N 4 oxide bottom oxide Si p-type 2-9. SONOS 21

32 Vg<< 0 V Poly Oxide Nitride Oxide X hυ Vd> 0 V N + P-well Vb=0 V

33 FN-E hυ Electron Hole BTBT-HH Poly Oxide Nitride Oxide n band to band hot carrier 23

34 FN tunnel electron Conduction band Nitride Carrier injection Valence band BTB hot hole Carrier trapping hυ hυ Carrier recombination

35 3.1 NBit photoemission microscopy 3.2 NBit NBit 0.13µm unit cell µm µm 2 / bit X Y 0.33 um 0.36 um NBit n - - oxide-nitride-oxide 6 nm-7 nm-9 nm NBit NBit p- isolation and well formation ONO stack growth thermal oxidation CVD deposition CMOS CMOS gate oxidation 3 1 st poly-si and SiN deposition 25

36 3-1 a 4 cell gate length patterning 5 / N+ buried-diffusion bit-line formation 3-1 b 6 low temperature dielectric fill-in and planarization 3-1 c 7 2 nd poly-si/wsi x deposition 3-1 d NBit gate patterning NBit source/drain formation 8 conventional backend process NBit CMOS NBit 9 Vs Vd Vg 3-3 word-lines WLs N+ local buried-diffusion BD bit-lines µm Nbit nm-7 nm-9 nm 26

37 2. 9 NBit 1. / NBit / 2. FN 3. NMOS

38 photoemission microscopy [22][23] [24][25] [26] 1. IC junction leakage forward biased diodes junction avalanche Latch-up hot electrons [27] 2. [28] 400 nm 1100 nm 0.4 µm

39 recombination emission energy bandgap Eg [29] c hc 1.24 λ = = = µ m 2.2 ν hν hν ( ev ) c ν h hν ev 0.8 µm 1.55 ev [30] cooled-ccd [31] 29

40 nm 30

41 SiN 1 st Poly-silicon ONO stack P-well (a) Pocket implant BD implant BD BD (b) low-temp.fill-in dielectric (c) WSi 2 nd poly-silicon (d) 3-1. NBit 31

42 word-line Vg bit-line Vs Vd 3-2. unit cell Poly P-well n + n + n + n

43 Video image processing TV Camera image intensifier filter optical microscope photons DUT electrical stimulus

44 4.1 NBit NBit FN Fowler-Nordheim erase band to band tunneling induced hot hole injection FN NMOS 4.2 NMOS 34

45 1. FN Vg=-16~-23 V p 4-1 a FN threshold voltage 4-1 b CCD 2. Vd=4.5~5.8 V Vg=-5 V p 4-2 a 4-2 b -5 V Vd=4.5~5.8 V CCD 3. FN Vg=-16 V N+ Vd=5.8 V p

46 a Vg=-16 V Vd=0 V Vb=0 V 4-3 b Vg=-16 V Vd=5.8 V Vb=0 V 4-3 b N+ CCD 4-4 a Vg=-16 V Vd=5.8 V Vb=0 V 4. NMOS 18 nm Vg=-16 V Vd=5.8 V Vb=0 V NMOS 4-5 CCD 4-4 b NMOS SONOS NBit NMOS 36

47 4.3 NBit NBit NBit NBit FN NMOS pn NBit Vg=-16 V n+ Vd=5.8 V CCD ~1100 nm 700~800 nm 400~700 nm 700~1000 nm Eg 1.55~1.77 ev 5 ev FN 37

48 NMOS NBit pn pn 4-7 pn n+ Vd=-0.85 V p Vb=0 V p 3х10-5 A/µm 1000 nm 1.2 ev 1000 nm / LED pn pn 1.2 ev 4-7 ~7.5х10-8 A/µm 3 orders NBit pn NBit pn 4-1 NBit 700 nm pn 1000 nm 38

49 NBit uncertainty principle p 1. n+ Vd=5.8 V p 0V Vb=0 V Vg=-13 V -16 V 4-8 a V nm

50 n+ 5.8 V V n+ p 2. Vg=-16 V p 0 V Vb=0 V n+ Vd=4.6 V~5.8 V 4-8 b 600~700 nm

51 -16 V V n+ p n V 4.6 V 5.8 V NMOSFET Id Vd [32] [33] Vd NBit 3. p p 41

52 n+ Vg=-16 V Vd=5.8 V p Vb 0 V 5.8 V 4-15 p Vb 0 V 5.8 V p NMOSFET Id Vg [33] Vb=2 V NBit 4. NBit n+ p Vg=-16 V Vd=5.8 V Vb=0 V nm

53 4.3.3 NBit NBit 700~800 nm 1.55~1.77 ev NBit NBit 43

54

55 Vg=-23 V poly gate Vs=floating oxide nitride oxide Vd=floating N + N + P-well Vb=0 V a 10 9 Vd=Vs=floating, Vb=0 V Vt (V) Vg (V) b 4-1. a FN b FN 45

56 Vg=-5 V poly gate Vs=floating oxide nitride oxide Vd=5.8 V N + N + P-well Vb=0 V a 4.0 Vg=-5 V, Vb=0 V 3.5 Vt (V) Vd (V) b 4-2. a b 46

57 Vg=-16 V poly gate oxide Vs=floating nitride hυ Vd=5.8 V X oxide N + N + P-well Vb=0 V a Vd=0 V Vd=5.8 V Vt (V) Vg (V) b 4-3. a b 47

58 a b 4-4. a NBit Vg/Vd/Vs=-16/5.8/0 CCD b NMOS CCD 48

59 Vg=-16 V Vs=floating Vd=5.8 V poly gate Tunnel Dielectric N+ N+ P-Substrate Vb=0 V 4-5. NMOS 49

60 Light Intensity (arbitrary units) SONOS structure Vg=-16 V,Vd=5.8 V (normal condition) Vg=-23 V,Vd=0 V (FN-E only) Vg=0 V,Vd=5.8 V (BTBT-HH only) MOS structure Vg=-16 V,Vd=5.8 V (without nitride traps) Wavelength (nm) 4-6. NBit FN MOS 50

61 Light Intensity (arbitrary units) Vg=-16 V,Vd=5.8 V,Vb=0 V, Id=~7.5x10-8 A/µm Vg=0 V,Vd=-0.85 V,Vb=0 V, Id=~3x10-5 A/µm (forward-biased) Wavelength (nm) nm NBit 3 51

62 Vd=5.8 V Vg=-16 V Vg=-13 V Vd=4.6 V Vg=-14 V Vd=5.4 V Vg=-15 V Vd=5.6 V Vg=-16 V Vd=5.8 V a b 4-8. a 5.8 V CCD b -16 V 4.6 V~5.8 V CCD 52

63 Light Intensity (arbitrary units) Vd=5.8 V,Vb=0 V Vg=-13 V Vg=-14 V Vg=-15 V Vg=-16 V Wavelength (nm) V NBit 700~800 nm 53

64 1.0x10-7 Vd=5.8 V 8.0x10-8 Id (A/µm) 6.0x x x Vg (V) V 54

65 Light Intensity (arbitrary units) Vg=-16 V,Vb=0 V Vd=4.6 V Vd=5 V Vd=5.4 V Vd=5.8 V Wavelength (nm) V NBit 600~700 nm 55

66 1.0x10-7 Vg=-16 V 8.0x10-8 Id (A/µm) 6.0x x x Vd (V) V 56

67 10000 Light Intensity (arbitrary units) x x x x10-8 Id (A/µm) ~

68 Light Intensity (arbitrary units) Vb=0 V Vg=-16 V Vg=-15 V Vg=-14 V Vg=-13 V Vd (V) MOSFET Id_Vd 58

69 Light Intensity (arbitrary units) Vg=-16 V,Vd=5.8 V Vb (V) Vd=5.8 V Vg=-16 V p NMOSFET Id Vg 59

70 Light Intensity (arbitrary units) Wavelength (nm) Vg=-16 V,Vd=5.8 V,Vb=0 V Stress time=0 Stress time=1 hour Stress time=10 hours

71 5.1 NBit NBit n MOSFET FN N+ 400~1100 nm 700~800 nm 1.55~1.77 ev 5.2 NBit NBit NBit band-to-band hot carrier NBit 61

72 [1] S.M.Sze, Semiconductor devices physics and technology, 2 nd edition, p [2] L.T.Caham, Applied Physics Letters 57, pp , [3] V.Lehmann, U. Gosele, Applied Physics Letters 58, pp , [4] Daniel L. Barton, Paiboon Tangyunyong, Jerry M. Soden, Chistopher L. Henderson and Edward I. Cole, Jr. Light Emission Spectral Analysis: The Connection Between the Electric Field and the Spectrum, ISTFA 99, p.57, [5] Christian Boit, Photoemission Microscopy-Advanced Theory of Operation, Microelectronic Failure analysis, 4 th edition, p.213,1999. [6] S.M.Sze, Semiconductor devices physics and technology, 2 nd edition, p [7] Christian Boit, Photoemission Microscopy-Advanced Theory of Operation, Microelectronic Failure analysis, 4 th edition, p.215, [8] Lenzlinger M. and Snow E. H., Fowler-Nordheim tunneling in thermally grown SiO 2, Journal of Applied Physics, 40, p.278, [9] G. Groeseneken, H.E. Maes, J. Van Houdt and J. S. Witters, Basics of Nonvolatile Semiconductor Memory Devices, Nonvolatile Semiconductor Memory Technology, p.11, [10] Fowler R.H. and Nordheim L, Electron emission in intense electric fields. Proc. Royal Society London Series A, 119, p.173, [11] M. Gill and S.Lai, Floating Gate Flash Devices, Nonvolatile Semiconductor Memory Technology, p.196, [12] Zener C. and Wills H.H., A theory of the electrical breakdown of solid dielectrics, Proc. Royal Society, A145, p.523, [13] Paolo Pavan, Roberto Bez, The industry standard flash memory cell, Flash memories, p.54, [14] Chan C.and Lien J., Corner-filed induced drain leakage in thin oxide 62

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