Modeling Bias temperature instability in Si and SiC MOSFETs using activation energy maps

Abstract

Microelectronic chips are at the heart of modern electronic devices and are also used in cars for safety systems, driver assistance, powertrain control, communications, and infotainment systems.The metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is the dominant transistor in these digital as well as analog integrated circuits (ICs). MOSFETs act as switches or amplifiers for electrical currents by exploiting the field effect. Reliable behavior has to be guaranteed through out the entire lifetime of the device especially for safety critical applications. The reliability challenges for devices increase with miniaturization, increased stress fields within the circuit, and with new and innovative materials.The most prominent mechanism which degrades the device performance and thus seriously affects the reliability is the bias temperature instability (BTI) and depends on the temperature and applied gate bias. A threshold voltage shift is caused due to charging and discharging of interface states and structural defects located in the oxide. In the last years, significant progress has been made to identify the physical degradation mechanisms behind BTI. However, physical models are computationally too expensive for circuit simulations. Therefore, efficient and accurate models for the bias temperature instability under real application conditions are still urgently needed in order to assess the device behavior until the end of its lifetime.In this work, an accurate and efficient BTI compact model for circuit simulations is presented. A circuit-simulator compatible model has to provide high accuracy, low computational effort, acceptable experimental, and low implementation effort. Modeling of the threshold voltage shift after any stress, recovery and temperature pattern is required. The model presented in this work is based on a single activation energy map, which includes the voltage and temperature dependence of stress and recovery. A mathematically efficient approach is used to calculate the degradation with a stress time-independent simulation time. To fulfill the requirement of low experimental effort and fast model parameterization, an efficient measurement technique, the temperature-accelerated measure-stress-measure technique, is developed. The model is validated against measurements with several different AC stress conditions and integrated within a circuit simulator, which is used by Infineon Technolgies AG. It is shown that the complex BTI degradation mechanism after any arbitrary stress, recovery and temperature conditions can be simulated with the developed compact model achieving high accuracy.In addition, BTI-induced threshold voltage shifts of Silicon Carbide (SiC) MOSFETs are investigated in this work. The wide band gap semiconductor SiC increasingly gains importance because the SiC MOSFETs can be operated at higher temperature, higher frequency and higher power density, which allows shrinking of the passive components and heat sinks. As such, full SiC system solutions are more efficient, lighter and smaller, and less expensive than their silicon-based counterparts. As in Si MOSFETs, the performance of SiC transistors is seriously affected by defects which can be located in the oxide and at the oxide/semiconductor interface. It has been observed that the BTI induced threshold voltage shifts are more severe for SiC devices than for conventional Si transistors. In addition, SiC MOSFETs show threshold voltage shifts under both positive (on state) as well as negative (off state) gate bias stress. As such, the standard test procedures typically used to characterize threshold voltage shifts for Si MOSFETs are not sufficient to determine the threshold voltage shifts under application conditions of SiC MOSFETs.Therefore, a new AC measurement technique for BTI evaluation of SiC MOSFETs is proposed in this work. This PhD thesis highlights the differences between Si and SiC MOSFETs and determines the relevance of threshold voltage variations for the application. A precise model for BTI-induced threshold voltage shifts based on activation energy maps is derived. The presented model is the first published BTI model for application-relevant AC stress of SiC MOSFETs.

Mikroelektronische Schaltungen bilden den Kern elektronischer Bauteile und finden verstärkt Anwendung in der Automobilelektronik beispielsweise in der Fahrsicherheit, Fahrassistenz und in Kontrollmodulen des Antriebsstranges. Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist daszentrale Bauteil in diesen digitalen sowie analogen integrierten Schaltungen. Mittels des Feldeffekts können Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren Ströme ein- und ausschalten oder verstärken. Die Zuverlässigkeit der MOSFETs muss über die vorgesehene Lebensdauer hinweg garantiert werden. Die Herausforderungen für die Zuverlässigkeit vergrößern sich nicht nur mit zunehmender Miniaturisierung und erhöhten Stressfeldern innerhalb der Schaltungen sondern auch mit neuen und innovativen Materialien. Der bekannteste Effekt ist die Bias-Temperatur-Instabilität (BTI). Der Effekt verringert die Leistungsfähigkeit der Transistoren mit ernsthaften Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer. In Abhängigkeit von der Temperatur und der angelegten Gate-Spannung lässt sich eine Verschiebung der Schwellspannung beobachten, die durch Laden und Entladen von Defekten, an der Halbleiter/Oxid Grenzfläche oder im Dielektrukum, entsteht. Während der letzten Jahre wurden große Fortschritte in der physikalischen Modellierung des Alterungsmechanismus erzielt. Für Schaltungssimulationen sind diese physikalischen Modelle jedoch nicht geeignet, da sie zu viel Rechenzeit benötigen. Um das Verhalten des Transistors bis zum Ende seiner Lebenszeit korrekt zu beschreiben sind daher effiziente und zugleich ausreichend genaue Modelle zur Beschreibung der Bias-Temperatur-Instabilität unter realen Applikationsbedingungen unbedingt und dringend notwendig.In dieser Arbeit wird ein akkurates und effizientes BTI Kompaktmodell, das für Schaltungssimulationen geeignet ist, vorgestellt. Ein Alterungsmodell für Schaltungssimulationen muss folgende Anforderungen erfüllen: Eine hohe Genauigkeit, niedriger Rechenaufwand, akzeptabler experimenteller Aufwand und gute Implementierbarkeit. Dabei ist die Modellierung der Schwellspannung unter jeglichen Spannungsbedingungen unter Berücksichtigung der Temperatur eine notwendige Vorraussetzung. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell basiert auf einer Aktivierungsenergiekarte, die die Spannungs- und Temperatur-Abhängigkeit von Stress und Erholungs-Phasen berücksichtigt. Es wird ein mathematisch effizienter Ansatz verwendet um die Alterung zu berechnen. Dabei ist die Simulationszeit unabhängig von der zu simulierenden Stresszeit. Um die Anforderung des niedrigen experimentellen Aufwands mit einer schnellen Modell-Parametrisierung zu erfüllen wurde eine effiziente Messtechnik, die TA-MSM Technik, entwickelt. Das Modell wird mit Hilfe von Messungen mit verschiedenen AC Stressbedingungen überprüft. Das Modell ist bereits in einen Schaltungssimulator der Infineon Technologies AG integriert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass der komplizierte Alterungsmechanismus BTI mit einer hohen Genauigkeit mit dem entwickelten Kompaktmodell simuliert werden kann für beliebige Temperatur-, Stress- und Erholungs-Bedingungen. Des Weiteren wurden in dieser Arbeit Verschiebungen der Schwellspannung von Silizium-karbid-Transistoren untersucht. Der Halbleiter SiC besitzt eine große Bandlücke und wird zunehmend wichtiger, da SiC MOSFETs bei höherer Temperatur, höherer Frequenz und höherer Leistungsdichte betrieben werden können, was die Verkleinerung von passiven Komponenten und Kühlkörpern ermöglicht. Dadurch sind auf SiC basierende Systemlösungen effizienter, leichter, kompakter und auch kostengünstiger als Systeme, die rein auf Siliziumtechnologie aufgebaut sind. Die Leistung von Siliziumkarbid-Transistoren ist ebenso wie die von Silizium Transistoren beeinträchtigt durch Defekte, die sich im Oxid als auch an der Oxid/Halbleiter-Grenzfläche befinden. Untersuchungen haben gezeigt, dass in Siliziumkarbid-Transistoren größere Verschiebungen der Schwellspannung aufgrund von BTI auftreten als für Silizium Transistoren. Des Weiteren zeigen Siliziumkarbid-Transistoren sowohl Verschiebungen der Schwellspannung unter positiven Gatespannungen (im eingeschalteten Zustand) als auch negativen Gatespannungen (im ausgeschalteten Zustand). Die typischen standardisierten Tests um die Veränderung der Schwellspannung für Silizium-Transistoren zu messen sind ungeeignet für Siliziumkarbid-Transistoren, da die Veränderung der Schwellspannung unter Applikationsbedingungen nicht mit diesen Tests bestimmt werden kann. Daher wird in dieser Forschungsarbeit eine neue Messtechnik für die Beurteilung der Zuverlässigkeit von SiC MOSFETs unter AC Applikationsbedingungen demonstriert. Die Forschungsarbeit untersucht Unterschiede zwischen Silizium- und Siliziumkarbid-Transistoren und bestimmt die Bedeutung von Veränderungen der Schwellspannung für die Applikation. Es wurde ein präzises Modell für BTI von Siliziumkarbid Transistoren basierend auf Aktivierungsenergiekarten entwickelt. Das in dieser Forschungsarbeit vorgestellte Modell ist das erste Modell für BTI unter Applikationsbedingungen von Siliziumkarbid MOSFETs.