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<div class="csl-entry">Schanovsky, F. (2013). <i>Atomistic modeling in the context of the bias temperature instability</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2013.28781</div>
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https://doi.org/10.34726/hss.2013.28781
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http://hdl.handle.net/20.500.12708/18022
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dc.description
Zsfassung in dt. Sprache
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dc.description.abstract
Methoden der atomistischen Modellierung werden auf die beiden aktuellsten Modelle für die (Negative-) Bias-Temperature-Instabilität (BTI) von MOS-Feldeffekttransistoren angewandt: das Reaktions-Diffusions-Modell (RD-Modell) und das Mehrzustands-Multiphonon-Modell.<br />Beide Modelle nehmen als Ursache für die Degradation elektrochemische Reaktionen an Punktdefekten im Oxid der MOS-Struktur an, unterscheiden sich jedoch stark in den physikalischen Details des Degradationsprozesses. Das RD-Modell versteht die BTI-Degradation als fortschreitende Depassivierung von Siliziumatomen an der Oxid-Halbleiter-Grenzschicht.<br />Trotz seiner Beliebtheit ist dieses Modell jedoch nicht in der Lage, alle experimentellen Beobachtungen konsistent zu erklären. So versagt dieser Ansatz beispielsweise völlig bei der Vorhersage der Ausheilung, die stattfindet sobald die Gate-Spannung reduziert wird. Das alternative Mehrzustands-Multiphonon-Modell versteht die BTI als dominiert vom Ladungsträgereinfang an Punktdefekten im Oxid in Kombination mit Konfigurationsänderungen der Defekte. Das Modell ist zwar in der Lage, experimentelle Befunde mit großer Genauigkeit wiederzugeben, ist aber auf Grund seines großen Parametersatzes schwierig zu kalibrieren.<br />Weiters ist noch völlig unklar, welcher Punktdefekt für BTI verantwortlich ist.<br />Der Reaktions-Diffusionsmechanismus wird auf Basis der Mastergleichung der stochastischen Chemie untersucht. Dabei zeigt sich, dass die übliche Beschreibung dieses Prozesses mittels Reaktionsgleichungen grob unzureichend ist. Das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte, physikalisch sinnvollere Modell sagt jedoch sowohl ein Degradations- als auch ein Ausheilverhalten voraus, das nicht mit den experimentellen Befunden übereinstimmt. Dies legt nahe, dass das RD-Modell auf physikalisch nicht haltbaren Annahmen basiert und dieses Konzept - im speziellen die übliche Annahme einer diffusionslimitierten Degradation - einer Überprüfung auf mikroskopischer Ebene bedarf.<br />Mit Bezug auf das Mehrzustands-Multiphonon-Modell wird gezeigt wie einzelne Modellparameter auf Basis eines atomistischen Defektmodells mittels quantenchemischer Methoden berechnet werden können. Energieabhängige Übergangsquerschnitte werden mit unterschiedlichen Näherungen extrahiert, und die Ergebnisse gegenübergestellt. Die gewählten Defektstrukturen, dies Sauerstoffvakanz und die Wasserstoffbrücke in kristallinem SiO2, dienen dabei als Anwendungsbeispiel und als Referenzdefekte für zukünftige Studien.<br />Die Anwendung der berechneten Querschnitte in einer makroskopischen Bauteilsimulation wird demonstriert.<br />
de
dc.description.abstract
Methods of atomistic modeling are applied to the two currently most discussed models for the bias temperature instability (BTI) of MOS field-effect transistors: the reaction-diffusion (RD) model and the multi-state multi-phonon model. Both of these models account the observed BTI degradation to electrochemical reactions at point-defects in the oxide of the MOS structure. However, they strongly differ in the physical details of the degradation process. The RD model assumes the degradation to be primarily due to the depassivation of silicon dangling bonds at the Si-SiO2 interface.<br />Despite its popularity this model is unable to consistently explain all experimental observations, such as the recovery that starts right after the removal of the stress voltage. The multi-state multi-phonon model ascribes the BT degradation primarily to the capture and emission of holes at point-defects inside the oxide, in combination with structural reconfigurations of the defects. This model is able to accurately reproduce the experimentally observed features of BTI. However, its large parameter set makes a calibration to experimental data difficult and the responsible defect has not been found yet.<br />The reaction-diffusion mechanism is studied at the stochastic chemistry level.<br />Our results clearly show that the commonly employed mathematical description using rate equations is inappropriate for this process. The physically more reasonable model developed in the present work, however, fails to give both the experimentally observed degradation and recovery. This suggests that the RD-model requires a revision at the microscopic level and that especially the diffusion-limitation of BTI degradation is not a reasonable assumption.<br />For the multi-state multi-phonon model it is shown how the number of free parameters can be reduced using an atomistic model of a point defect and an electronic structure method. Methods to extract line shape functions from these models at different levels of approximation are developed and compared.<br />The application of these line shapes in a macroscopic device simulation is shown.<br />
en
dc.language
English
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dc.language.iso
en
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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dc.subject
MOS Transistor
de
dc.subject
Degradation
de
dc.subject
Atomistische Modellierung
de
dc.subject
Dichtefunktionaltheorie
de
dc.subject
multi-Phononen-Übergänge
de
dc.subject
Bauteilsimulation
de
dc.subject
Punktdefekte
de
dc.subject
Sauerstoffvakanz
de
dc.subject
Siliziumdioxid
de
dc.subject
Negative-Bias-Temperature Instabilität
de
dc.subject
Zuverlässigkeit
de
dc.subject
density functional theory
en
dc.subject
bias temperature instability
en
dc.subject
non-radiative multi-phonon transition
en
dc.subject
point-defects
en
dc.subject
semiconductor device simulation
en
dc.subject
oxygen vacancy
en
dc.subject
silicon dioxide
en
dc.subject
negative bias temperature instabiliby
en
dc.subject
reliability
en
dc.title
Atomistic modeling in the context of the bias temperature instability
en
dc.type
Thesis
en
dc.type
Hochschulschrift
de
dc.rights.license
In Copyright
en
dc.rights.license
Urheberrechtsschutz
de
dc.identifier.doi
10.34726/hss.2013.28781
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dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
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dc.rights.holder
Franz Schanovsky
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tuw.version
vor
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tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
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dc.contributor.assistant
Schenk, Andreas
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tuw.publication.orgunit
E360 - Institut für Mikroelektronik
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dc.type.qualificationlevel
Doctoral
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dc.identifier.libraryid
AC07815547
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dc.description.numberOfPages
121
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dc.thesistype
Dissertation
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Dissertation
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http://purl.org/coar/resource_type/c_18cf
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Hochschulschrift
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Open Access
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E360 - Institut für Mikroelektronik
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E350 - Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik