Advanced electrical characterization of charge trapping in MOS transistors

Abstract

The metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is the basic building block of integrated circuits and stands at the heart of most modern electronic devices. It is considered a key technology and had a considerable influence on the cultural, societal, and economic development of the past decades. In light of this, it is not surprising that enormous efforts are put in the improvement of the transistors. One important aspect affecting the performance and also the reliability of these devices are atomic scale defects, inevitably introduced during manufacturing or newly created during operation. These defects possess the ability to capture electric charges and thereby affect the operation of the transistors. With the ongoing miniaturization of transistors, the impact of such defects on the device behavior grows. Effects for which these defects are responsible are among others bias-temperature instabilities (BTI), random telegraph noise (RTN) and hot carrier degradation (HCD).With the ongoing development of MOSFETs, various characterization methods have been developed to study the wealth of effects plaguing these devices. In the last years, the miniaturization of the transistors paved the way for the development of new methods which aim at the detailed characterization of single defects. These measurements allow to verify and improve detailed models of single defects describing their atomistic nature and their charge trapping behavior. At the same time, this poses new challenges for characterization of a technology, as many such defects need to be studied to obtain the averages and distributions of the defects’ influences on the devices, which requires improvements of the experimental approaches and data processing. This work covers the experimental characterization and theoretical description of these defects and elaborates the measurement data analysis in combination with TCAD simulation. Different characterization and simulation methods are used to study defects in three separate technologies to draw conclusions about their distributions and physical nature.

Der Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor (MOSFET) ist der Grundbaustein integrierter Schaltungen und damit der meisten modernen elektronischen Geräte. Er gilt als eine Schlüsseltechnologie und hatte maßgeblichen Anteil an der kulturellen, gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Entwicklungen der letzen Jahrzehnte. In Anbetracht dessen ist es nicht verwunderlich, dass zu dessen Verbesserung ein enormer Aufwand betrieben wird. Ein wesentlicher Aspekt in der Leistung und Zuverlässigkeit dieser Bauteile sind unvermeidbare Defekte auf atomarer Ebene, die während der Herstellung oder des Betriebs entstehen. Diese Defekte können Ladungsträger einfangen, und damit das Verhalten der Transistoren beeinflussen. Mit fortschreitender Miniaturisierung der Transistoren gewinnen solche Defekte zunehmenden Einfluss auf deren Verhalten. Effekte die durch diese Defekte entstehen sind unter Anderem Bias-Temperature-Instabilities (BTI), Random-Telegraph-Noise (RTN) und Hot-Carrier-Degradation (HCD). Mit der Weiterentwicklung des MOSFET wurden verschiedene Messverfahren entwickelt, um die Vielzahl an Effekten zu studieren welche diese Bauteile beeinflussen. In den letzten Jahren ermöglichte die Miniaturisierung der Transistoren die Entwicklung neue Messverfahren, welche die detaillierte Charakterisierung einzelner Defekte erlauben. Diese Messungen erlauben die Verifizierung und Verbesserung detaillierter Einzeldefektmodelle, welche die atomistische Natur oder den Ladungsträgeraustausch dieser Defekte beschreiben. Gleichzeitig stellt es neue Herrausforderungen für die Charaterisierung einer Technologie dar, da viele dieser Einzeldefekte erforscht werden müssen um Aussagen über die Mittelwerte und Verteilungen der Auswirkungen der Defekte auf die Bauteile treffen zu können. Dies erfordert Verbesserungen der experimentellen Ansätze und der Datenauswertungen. Diese Arbeit befasst sich mit der messtechnischen Charakterisierung und der theoretischer Beschreibung dieser Defekte und beschreibt die Messdatenanalyse in Verbindung mit TCAD Simulationen. Unterschiedliche Charakterisierungs- und Simulationsmethoden werden verwendet um Defekte in drei verschiedenen Technologien zu untersuchen, und Rückschlüsse auf deren Verteilungen und physikalischer Natur zu ziehen.