A new and accurate approach to charge-pumping measurements for the determination of the Si-SiO 2 interface state density directly on MOS transistors is presented. By a careful analysis of the different processes of emission of electrons towards the conduction band and of holes towards the valence band, depending on the charge state of the interface, all the previously ill-understood phenomena can be explained and the deviations from the simple charge-pumping theory can be accounted for. The presence of a geometric component in some transistor configurations is illustrated and the influence of trapping time constants is discussed. Furthermore, based on this insight, a new technique is developed for the determination of the energy distribution of interface states in small-area transistors, without requiring the knowledge of the surface potential dependence on gate voltage.

A leading-edge 90-nm technology with 1.2-nm physical gate oxide, 45-nm gate length, strained silicon, NiSi, seven layers of Cu interconnects, and low-/spl kappa/ CDO for high-performance dense logic is presented. Strained silicon is used to increase saturated n-type and p-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) drive currents by 10% and 25%, respectively. Using selective epitaxial Si/sub 1-x/Ge/sub x/ in the source and drain regions, longitudinal uniaxial compressive stress is introduced into the p-type MOSEFT to increase hole mobility by >50%. A tensile silicon nitride-capping layer is used to introduce tensile strain into the n-type MOSFET and enhance electron mobility by 20%. Unlike all past strained-Si work, the hole mobility enhancement in this paper is present at large vertical electric fields in nanoscale transistors making this strain technique useful for advanced logic technologies. Furthermore, using piezoresistance coefficients it is shown that significantly less strain (/spl sim/5 /spl times/) is needed for a given PMOS mobility enhancement when applied via longitudinal uniaxial compression versus in-plane biaxial tension using the conventional Si/sub 1-x/Ge/sub x/ substrate approach.

In this paper it is demonstrated in a wide stress field range that breakdown in thin oxide layers occurs as soon as a critical density of neutral electron traps in the oxide is reached. It is proven that this corresponds to a critical hole fluence, since a unique relationship between electron trap generation and hole fluence is found independent of stress field and oxide thickness. In this way literature models relating breakdown to hole fluence or to trap generation are linked. A new model for intrinsic breakdown, based on a percolation concept, is proposed. It is shown that this model can explain the experimentally observed statistical features of the breakdown distribution, such as the increasing spread of the Q/sub BD/-distribution for ultrathin oxides. An important consequence of this large spread is the strong area dependence of the Q/sub BD/ for ultrathin oxides.

Strained-silicon (Si) is incorporated into a leading edge 90-nm logic technology . Strained-Si increases saturated n-type and p-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) drive currents by 10 and 25%, respectively. The process flow consists of selective epitaxial Si/sub 1-x/Ge/sub x/ in the source/drain regions to create longitudinal uniaxial compressive strain in the p-type MOSFET. A tensile Si nitride-capping layer is used to introduce tensile uniaxial strain into the n-type MOSFET and enhance electron mobility. Unlike past strained-Si work: 1) the amount of strain for the n-type and p-type MOSFET can be controlled independently on the same wafer and 2) the hole mobility enhancement in this letter is present at large vertical electric fields, thus, making this flow useful for nanoscale transistors in advanced logic technologies.

It is shown that the charge pumping technique is able not only to determine the degradation mechanisms in MOS transistors under all kinds of aging conditions (e.g., irradiation, hot-carrier, Fowler-Nordheim stress), but also in several cases to evaluate and to quantify the degradation. It is further shown that the technique can be applied to separate the presence of fixed oxide changes due to charge trapping and the generation of interface traps. It can be used to analyze degradations that occur uniformly over the transistor channel, as well as strongly localized transistor degradations (e.g., for the case of hot-carrier degradations). All possible cases of uniform and nonuniform degradations, for p-channel as well as for n-channel transistors, are described, and for most of them experimental examples are given.< >

A model is derived using the charge-pumping technique for the evaluation of the interface characteristics, in combination with the behavior of the drain and the substrate currents after degradation. For n-channel transistors the degradation is mainly caused by the generation of interface traps. Only in the region of hole injection (V/sub g/ approximately=V/sub t/) is the degradation dominated by the trapped holes, which mask the effect of the generated interface traps. The degradation of p-channel transistors, although completely different at first sight, occurs by the same mechanisms. For this case, the degradation is caused by trapped negative charge, which masks the influence of the interface traps. The latter are nevertheless generated in comparable amounts as in n-channel transistors. Based on these insights, improved procedures for accelerated-lifetime experiments are proposed for both channel types. Finally, the peculiar degradation behavior of n-channel transistors under alternating injection conditions is discussed and fully explained based on the static stress degradation model.< >

Germanium is a widely used material for tunnel FETs because of its small band gap and compatibility with silicon. Typically, only the indirect band gap of Ge at 0.66 eV is considered. However, direct band-to-band tunneling (BTBT) in Ge should be included in tunnel FET modeling and simulations since the energy difference between the Ge conduction band edges at the L and Γ valleys is only 0.14 eV at room temperature. In this paper, we theoretically calculate the parameters A and B of Kane's direct and indirect BTBT models at different tunneling directions ([100], [110], and [111]) for Si, Ge and unstrained Si 1-x Ge x . We highlight how the direct BTBT component becomes more important as the Ge mole fraction increases. The calculation of the band-to-band generation rate in the uniform electric field limit reveals that direct tunneling always dominates over indirect tunneling in Ge. The impact of the direct transition in Ge on the performance of two realistic tunnel field-effect transistor configurations is illustrated with TCAD simulations. The influence of field-induced quantum confinement is included in the analysis based on a back-of-the-envelope calculation.

Tunnel field-effect transistors are promising successors of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors because of the absence of short-channel effects and of a subthreshold-slope limit. However, the tunnel devices are ambipolar and, depending on device material properties, they may have low on-currents resulting in low switching speed. The authors have generalized the tunnel field-effect transistor configuration by allowing a shorter gate structure. The proposed device is especially attractive for vertical nanowire-based transistors. As illustrated with device simulations, the authors’ more flexible configuration allows of the reduction of ambipolar behavior, the increase of switching speed, and the decrease of processing complexity.

ldquoConventionalrdquo techniques and related capacitance-voltage characteristic interpretation were established to evaluate interface trap density on Si substrates. We show that blindly applying these techniques on alternative substrates can lead to incorrect conclusions. It is possible to both under- and overestimate the interface trap density by more than an order of magnitude. Pitfalls jeopardizing capacitance-and conductance-voltage characteristic interpretation for alternative semiconductor MOS are elaborated. We show how the conductance method, the most reliable and widely used interface trap density extraction method for Si, can be adapted and made reliable for alternative semiconductors while maintaining its simplicity.

The similarity between Random Telegraph Noise and Negative Bias Temperature Instability (NBTI) relaxation is further demonstrated by the observation of exponentially-distributed threshold voltage shifts corresponding to single-carrier discharges in NBTI transients in deeply scaled pFETs. A SPICE-based simplified channel percolation model is devised to confirm this behavior. The overall device-to-device ΔV th distribution following NBTI stress is argued to be a convolution of exponential distributions of uncorrelated individual charged defects Poisson-distributed in number. An analytical description of the total NBTI threshold voltage shift distribution is derived, allowing, among other things, linking its first two moments with the average number of defects per device.