Nanometer-scale transistors often exhibit random telegraph noise (RTN) with high device-to-device variability. Recent experiments up to Grad total ionizing dose (TID) demonstrate stable RTN in planar bulk-Si metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors and in Si fin field-effect transistors (FinFETs). In these cases, pre-existing defects in the ultrathin gate dielectrics dominate the device low-frequency 1/f noise (LFN). In contrast, III–V MOS devices with lower quality oxide/semiconductor interfaces show significant increases in LFN at much lower doses, due to the TID-induced activation of high densities of border traps. Aggressively scaled devices fabricated in Si gate-all-around nano-wire FET technology exhibit prominent defects leading to LFN and RTN. Increases or decreases of LFN in these devices during irradiation and annealing results primarily from the activation or passivation of border traps and interface traps.

1.
D. M.
Fleetwood
,
M. R.
Shaneyfelt
,
W. L.
Warren
,
J. R.
Schwank
,
T. L.
Meisenheimer
, and
P. S.
Winokur
,
Microelectron. Reliab.
35
,
403
(
1995
).
2.
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
1216
(
2020
).
3.
M.
Manghisoni
,
L.
Ratti
,
V.
Re
,
V.
Speziali
, and
G.
Traversi
, in
IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC)
(
IEEE
,
2006
), p.
214
.
4.
M.
Manghisoni
,
L.
Ratti
,
V.
Re
, and
V.
Speziali
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
49
,
1783
(
2002
).
5.
S. A.
Francis
,
A.
Dasgupta
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Electron Devices
57
,
503
(
2010
).
6.
S.
Bonaldo
,
T.
Ma
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Baschirotto
,
C.
Enz
,
D. M.
Fleetwood
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Gerardin
,
Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A
1033
,
166727
(
2022
).
7.
S. E.
Zhao
,
S.
Bonaldo
,
P.
Wang
,
E. X.
Zhang
,
N.
Waldron
,
N.
Collaert
,
V.
Putcha
,
D.
Linten
,
S.
Gerardin
,
A.
Paccagnella
,
R. A.
Reed
,
R. D.
Schrimpf
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
253
(
2020
).
8.
P.
Wang
,
R.
Jiang
,
J.
Chen
,
E. X.
Zhang
,
M. W.
McCurdy
,
R. D.
Schrimpf
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
64
,
181
(
2017
).
9.
S.
Bonaldo
,
E. X.
Zhang
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Paccagnella
,
S.
Gerardin
,
R. D.
Schrimpf
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
(published online).
10.
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
62
,
1462
(
2015
).
11.
H. D.
Xiong
,
D. M.
Fleetwood
,
B. K.
Choi
, and
A. L.
Sternberg
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
49
,
2718
(
2002
).
12.
S.
Bonaldo
,
S. E.
Zhao
,
A.
O'Hara
,
M.
Gorchichko
,
E. X.
Zhang
,
S.
Gerardin
,
A.
Paccagnella
,
N.
Waldron
,
N.
Collaert
,
V.
Putcha
,
D.
Linten
,
S. T.
Pantelides
,
R. A.
Reed
,
R. D.
Schrimpf
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
210
(
2020
).
13.
S. E.
Zhao
,
S.
Bonaldo
,
P.
Wang
,
R.
Jiang
,
H.
Gong
,
E. X.
Zhang
,
N.
Waldron
,
B.
Kunert
,
J.
Mitard
,
N.
Collaert
,
S.
Sioncke
,
D.
Linten
,
R. D.
Schrimpf
,
R. A.
Reed
,
S.
Gerardin
,
A.
Paccagnella
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
66
,
1599
(
2019
).
14.
S.
Bonaldo
,
E. X.
Zhang
,
S. E.
Zhao
,
V.
Putcha
,
B.
Parvais
,
D.
Linten
,
S.
Gerardin
,
A.
Paccagnella
,
R. A.
Reed
,
R. D.
Schrimpf
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
1312
(
2020
).
15.
C. X.
Zhang
,
X.
Shen
,
E. X.
Zhang
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
S. A.
Francis
,
T.
Roy
,
S.
Dhar
,
S.
Ryu
, and
S. T.
Pantelides
,
IEEE Trans. Electron Devices
60
,
2361
(
2013
).
16.
J.
Chen
,
Y. S.
Puzyrev
,
C. X.
Zhang
,
E. X.
Zhang
,
M. W.
McCurdy
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
S. T.
Pantelides
,
S. W.
Kaun
,
E. C. H.
Kyle
, and
J. S.
Speck
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
60
,
4080
(
2013
).
17.
M.
Gorchichko
,
E. X.
Zhang
,
P.
Wang
,
S.
Bonaldo
,
R. D.
Schrimpf
,
R. A.
Reed
,
D.
Linten
,
J.
Mitard
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
68
,
687
(
2021
).
18.
S.
Bonaldo
,
M.
Gorchichko
,
E. X.
Zhang
,
T.
Ma
,
S.
Mattiazzo
,
M.
Bagatin
,
A.
Paccagnella
,
S.
Gerardin
,
R. D.
Schrimpf
,
R. A.
Reed
,
D.
Linten
,
J.
Mitard
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
69
,
1444
(
2022
).
19.
D. M.
Fleetwood
, “
Interface traps and low-frequency noise in metal-oxide-semiconductor transistors
,”
Appl. Phys. Lett.
(to be published).
20.
D. M.
Fleetwood
,
E. X.
Zhang
,
R. D.
Schrimpf
,
S. T.
Pantelides
, and
S.
Bonaldo
, in
proceedings of IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference – NSREC 2023
, Kansas, July 24–28,
2023
.
21.
D. M.
Fleetwood
,
S.
Beyne
,
R.
Jiang
,
S. E.
Zhao
,
P.
Wang
,
S.
Bonaldo
,
M. W.
McCurdy
,
Z.
Tőkei
,
I.
DeWolf
,
K.
Croes
,
E. X.
Zhang
,
M. L.
Alles
,
R. D.
Schrimpf
,
R. A.
Reed
, and
D.
Linten
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
203501
(
2019
).
22.
C. X.
Zhang
,
E. X.
Zhang
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
S.
Dhar
,
S.-H.
Ryu
,
X.
Shen
, and
S. T.
Pantelides
,
IEEE Electron Dev. Lett.
34
,
117
(
2013
).
23.
D. M.
Fleetwood
,
Microelectron. Reliab.
80
,
266
(
2018
).
24.
D. M.
Fleetwood
,
P. S.
Winokur
,
R. A.
Reber
, Jr.
,
T. L.
Meisenheimer
,
J. R.
Schwank
,
M. R.
Shaneyfelt
, and
L. C.
Riewe
,
J. Appl. Phys.
73
,
5058
(
1993
).
25.
T. R.
Oldham
and
F. B.
McLean
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
50
,
483
(
2003
).
26.
H. J.
Barnaby
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
53
,
3103
(
2006
).
27.
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
68
,
509
(
2021
).
28.
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
M.
Bagatin
,
A.
Paccagnella
,
G.
Margutti
, and
S.
Gerardin
,
MDPI Electron.
12
,
543
(
2023
).
29.
F.
Faccio
,
G.
Borghello
,
E.
Lerario
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
H.
Gong
,
E. X.
Zhang
,
P.
Wang
,
S.
Michelis
,
S.
Gerardin
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Bonaldo
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
65
,
164
(
2018
).
30.
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
C.
Enz
,
A.
Baschirotto
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Gerardin
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
66
,
82
(
2019
).
31.
S.
Mattiazzo
,
M.
Bagatin
,
D.
Bisello
,
S.
Gerardin
,
A.
Marchioro
,
A.
Paccagnella
,
D.
Pantano
,
A.
Pezzotta
,
C.-M.
Zhang
, and
A.
Baschirotto
,
J. Instrum.
12
,
C02003
(
2017
).
32.
C.-M.
Zhang
,
F.
Jazaeri
,
G.
Borghello
,
F.
Faccio
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Baschirotto
, and
C.
Enz
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
66
,
38
(
2019
).
33.
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
C.
Enz
,
A.
Baschirotto
,
D. M.
Fleetwood
, and
A.
Paccagnella
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
1302
(
2020
).
34.
T.
Ma
,
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Baschirotto
,
C.
Enz
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Gerardin
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
68
,
1571
(
2021
).
35.
T.
Ma
,
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Baschirotto
,
C.
Enz
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Gerardin
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
69
,
307
(
2022
).
36.
D. M.
Fleetwood
,
H. D.
Xiong
,
Z.-Y.
Lu
,
C. J.
Nicklaw
,
J. A.
Felix
,
R. D.
Schrimpf
, and
S. T.
Pantelides
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
49
,
2674
(
2002
).
37.
D. M.
Fleetwood
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
070503
(
2022
).
38.
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
60
,
1706
(
2013
).
39.
J. H.
Scofield
,
T. P.
Doerr
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
36
,
1946
(
1989
).
40.
S.
Machlup
,
J. Appl. Phys.
25
,
341
(
1954
).
41.
M. J.
Kirton
and
M. J.
Uren
,
Adv. Phys.
38
,
367
(
1989
).
42.
E.
Simoen
,
B.
Kaczer
,
M.
Toledano-Luque
, and
C.
Claeys
,
ECS Trans.
39
,
3
(
2011
).
43.
H.
Miki
,
N.
Tega
,
M.
Yamaoka
,
D. J.
Frank
,
A.
Bansal
,
M.
Kobayashi
,
K.
Cheng
,
C. P.
D'Emic
,
Z.
Ren
,
S.
Wu
,
J.-B.
Yau
,
Y.
Zhu
,
M. A.
Guillorn
,
D.-G.
Park
,
W.
Haensch
,
E.
Leobandung
, and
K.
Torii
, in
Proceedings of International Electron Devices Meeting
,
IEDM (IEEE
,
2012
), p.
19.1.1
.
44.
E.
Simoen
,
W.
Fang
,
M.
Aoulaiche
,
J.
Luo
,
C.
Zhao
, and
C.
Claeys
,
ECS Trans.
60
,
109
(
2014
).
45.
Z.
Zhang
,
S.
Guo
,
X.
Jiang
,
R.
Wang
,
Z.
Zhang
,
P.
Hao
,
Y.
Wang
, and
R.
Huang
, in
Proceedings of International Reliability Physics Symposium, IRPS
(
IEEE
,
2017
), p.
3C3.1
.
46.
R.
Wang
,
S.
Guo
,
Z.
Zhang
,
J.
Zou
,
D.
Mao
, and
R.
Huang
, in
Proceedings of International Symposium on Phys. Fail. Anal. Integr. Circuits
(
2018
), p.
299
.
47.
T.
Grasser
,
Microelectron. Reliab.
52
,
39
(
2012
).
48.
K. K.
Hung
,
P. K.
Ko
,
C.
Hu
, and
Y. C.
Cheng
,
IEEE Trans. Electron Devices
37
,
654
(
1990
).
49.
T.
Boutchacha
and
G.
Ghibaudo
,
Microelectron. Reliab.
42
,
573
(
2002
).
50.
T.
Ma
,
S.
Bonaldo
,
S.
Mattiazzo
,
A.
Baschirotto
,
C.
Enz
,
A.
Paccagnella
, and
S.
Gerardin
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
69
,
1437
(
2022
).
51.
J. H.
Scofield
,
N.
Borland
, and
D. M.
Fleetwood
,
IEEE Trans. Electron Devices
41
,
1946
(
1994
).
52.
J. A.
del Alamo
,
Nature
479
,
317
(
2011
).
53.
P.
Dutta
and
P. M.
Horn
,
Rev. Mod. Phys.
53
,
497
(
1981
).
54.
D. M.
Fleetwood
and
N.
Giordano
,
Phys. Rev. B
31
,
1157
(
1985
).
55.
D. M.
Fleetwood
,
P. S.
Winokur
,
M. R.
Shaneyfelt
,
L. C.
Riewe
,
O.
Flament
,
P.
Paillet
, and
J. L.
Leray
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
45
,
2366
(
1998
).
56.
T.
Grasser
,
K.
Rott
,
H.
Reisinger
,
M.
Waltl
,
J.
Franco
, and
B.
Kaczer
, in
Proceedings of International Reliability Physics Symposium, IRPS
(
IEEE
,
2014
), p.
4A.5.1
.
57.
C.
Mahata
,
Y.-C.
Byun
,
C.-H.
An
,
S.
Choi
,
Y.
An
, and
H.
Kim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
5
,
4195
(
2013
).
58.
D.
Liu
,
Y.
Guo
,
L.
Lin
, and
J.
Robertson
,
J. Appl. Phys.
114
,
083704
(
2013
).
59.
M. L.
Huang
,
Y. C.
Chang
,
C. H.
Chang
, and
T. D.
Lin
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
012903
(
2006
).
60.
M. L.
Huang
,
Y. C.
Chang
,
Y. H.
Chang
,
T. D.
Lin
,
J.
Kwo
, and
M.
Hong
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
052106
(
2009
).
61.
A. G.
Marinopoulos
,
I.
Batyrev
,
X. J.
Zhou
,
R. D.
Schrimpf
,
D. M.
Fleetwood
, and
S. T.
Pantelides
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
233503
(
2007
).
62.
M.
De Marchi
,
D.
Sacchetto
,
J.
Zhang
,
S.
Frache
,
P.-E.
Gaillardon
,
Y.
Leblebici
, and
G.
De Micheli
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
13
,
1029
(
2014
).
63.
D.
Sacchetto
,
M. H.
Ben-Jamaa
,
G.
De Micheli
, and
Y.
Leblebici
, in
Proceedings of 39th European Solid-State Device Research Conference
(
IEEE
,
2009
), p.
245
.
64.
J.
Zhang
,
J.
Frougier
,
A.
Greene
,
X.
Miao
,
L.
Yu
,
R.
Vega
,
P.
Montanini
,
C.
Durfee
,
A.
Gaul
,
S.
Pancharatnam
,
C.
Adams
,
H.
Wu
,
H.
Zhou
,
T.
Shen
,
R.
Xie
,
M.
Sankarapandian
,
J.
Wang
,
K.
Watanabe
,
R.
Bao
,
X.
Liu
,
C.
Park
,
H.
Shobha
,
P.
Joseph
,
D.
Kong
,
A.
Arceo De La Pena
,
J.
Li
,
R.
Conti
,
D.
Dechene
,
N.
Loubet
,
R.
Chao
,
T.
Yamashita
,
R.
Robison
,
V.
Basker
,
K.
Zhao
,
D.
Guo
,
B.
Haran
,
R.
Divakaruni
, and
H.
Bu
, in
IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM
(
IEEE
,
2019
), p.
250
.
65.
R.
Ritzenthaler
,
H.
Mertens
,
V.
Pena
,
G.
Santoro
,
A.
Chasin
,
K.
Kenis
,
K.
Devriendt
,
G.
Mannaert
,
H.
Dekkers
,
A.
Dangol
,
Y.
Lin
,
S.
Sun
,
Z.
Chen
,
M.
Kim
,
J.
Machillot
,
J.
Mitard
,
N.
Yoshida
,
N.
Kim
,
D.
Mocuta
, and
N.
Horiguchi
, in
IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM
(
IEEE
,
2019
), Vol.
21
, p.
5.1
;
H.
Mertens
,
R.
Ritzenthaler
,
A.
Chasin
,
T.
Schram
,
E.
Kunnen
,
A.
Hikavyy
,
L.-Å.
Ragnarsson
,
H.
Dekkers
,
T.
Hopf
,
K.
Wostyn
,
K.
Devriendt
,
S. A.
Chew
,
M. S.
Kim
,
Y.
Kikuchi
,
E.
Rosseel
,
G.
Mannaert
,
S.
Kubicek
,
S.
Demuynck
,
A.
Dangol
,
N.
Bosman
,
J.
Geypen
,
P.
Carolan
,
H.
Bender
,
K.
Barla
,
N.
Horiguchi
, and
D.
Mocutain
, in
IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM
(
IEEE
,
2016
), Vol.
19
, p.
7.1
.
66.
G.
Ghibaudo
,
O.
Roux
,
C.
Nguyen-Duc
,
F.
Balestra
, and
J.
Brini
,
Phys. Status Solidi (a)
124
,
571
(
1991
).
You do not currently have access to this content.