Study of the Walk-Out Effect of Junction Breakdown Instability of the High-Voltage Depletion-Mode N-Channel MOSFET for NAND Flash Peripheral Device and an Efficient Layout Solution

与非门 击穿电压 NMOS逻辑 MOSFET 光电子学 电气工程 晶体管 材料科学 量子隧道 阈值电压 逻辑门 电压 计算机科学 物理 工程类
作者
Chieh Roger Lo,Teng-Hao Yeh,Wei-Chen Chen,Hang-Ting Lue,Keh-Chung Wang,Chih-Yuan Lu,Yao-Wen Chang,Yung‐Hsiang Chen,Chu-Yung Liu,Chih-Yuan Lu
标识
DOI:10.1109/irps45951.2020.9129216
摘要

In this paper, we report the junction breakdown instability of a depletion-mode high-voltage NMOSFET (DN) used in the NAND Flash peripheral circuit. Such DN device needs to sustain the highest voltage (>30V) during NAND Flash programming. We observed instability of the junction breakdown in the product chip. Electrical measurement shows that the first measured breakdown voltage (BV DSS ) from virgin state is usually lower than that after stress, which is called the "walk-out" effect. The walk-out effect can be recovered by a high-temperature baking, indicating it's not a permanent damage. TCAD simulation suggests that gate edge hole trapping by the band-to-band tunneling injection is the root cause of such walk-out effect. The conventional layout structure of the DN has a large overlap of the buried-channel N-type doping with the light-doped drain (LDD), leading to the worse walk-out effect than normal HV NMOS. To suppress this effect, we propose an optimal layout design method of DN to avoid the overlap of N-type buried-channel doping with the LDD. Experimental results show very good improvements of BV DSS with acceptable transistor performances.
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