Atomistic modeling in the context of the bias temperature instability

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 />

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 />