Efficient physical modeling of bias temperature instability

Abstract

Metal-Oxid-Halbleiter (MOS)-Bauelemente sind Schlüsselfaktoren moderner Technologien. Vor allem ihre Eigenschaft, Ströme mittels Feldeeffekt einund auszuschalten, wird in nahezu allen elektronischen Geräten verwendet und das Zusammenspiel von Milliarden dieser MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf kleinen Computerchips ermöglicht die komplexen Berechnungen, die nunmehr Teil unseres Alltags sind. Eine der größten Herausforderungen dieser Technologien ist es, Geräte bei höchstmöglicher Leistung, aber zugleich auch ausreichender Zuverlässigkeit über die vorgesehene Lebensdauer hinweg zu betreiben. Besonders entscheidend sind dabei Instabilitäten die stark von der Biasspannung und der Temperatur abhängen. Dieses Phänomen wird Bias-Temperaturinstabilität (BTI) genannt und stellt eines von mehreren Zuverlässigkeitsproblemen dar, die auf das Einfangen von Ladungen in den Oxiden dieser Bauelemente zurückzuführen sind. BTI wurde bereits vor mehr als 50 Jahren dokumentiert, aber trotz andauernder Forschung und wirtschaftlichem Interesse sind die grundlegenden physikalischen Mechanismen nicht zur Gänze geklärt. Schon früh wurden diffusive Prozesse und temperaturaktivierte Reaktionen für BTI verantwortlich gemacht, kontrovers ist jedoch, welcher dieser beiden Mechanismen den zeitlichen Verlauf der Degradation dominiert. Moderne Technologien erlauben detailliertere Studien dieser Prozesse und es wurde gezeigt, dass die Theorie der nichtstrahlenden Multiphononen (NMP) vielen dieser Zuverlässigkeitsprobleme widerspruchsfrei beschreibt. Speziell mittels des 4-State-NMP Modells konnte die Degradation aufgrund von präexistenten Defekten erfolgreich beschrieben werden. Zusätzlich zu diesen präexistenten Defekten wird ein schwerer zu erfassender Mechanismus beobachtet. Es wird vermutet, dass dieser Mechanismus mit der Defektgeneration und -transformation und einer damit einhergehenden Umverteilung von Wasserstoff in Verbindung steht. In dieser Arbeit wird eine Vielzahl von verschiedenen experimentellen Degradationsdaten mittels des 4-State-NMP-Modells untersucht. Nach der Analyse von präexistenten Defekten in einfachen SiO2-Oxiden unter BTI-Bedingungen mit negativer Biasspannung (NBTI) wird eine einheitliche Modellierung solcher Defekte in high-k-Gate-Schichtstapeln bei negativen und positiven BTI-Bedingungen (PBTI) präsentiert. Weiters wird gezeigt, dass die Essenz dieser durchaus komplexen Degradationsmechanismen mit hoher Genauigkeit und unter weitgehender Beibehaltung des physikalischen Gehalts abstrahiert werden kann. Diese auf das Wesentliche beschränkten Beschreibungen werden in einem neuen Modellierungssystem namens Comphy, einer Kurzform von „compact-physic“, eingebettet. Mit diesem Modellierungssystem werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Defekten in SiO2- und HfO2-Oxiden bestimmt und konsistente NBTI- und PBTI-Simulationen für verschiedenartige Prozessierungen durchgeführt. Um diese Studien nachvollziehbar zu machen, werden alle Parameter der Comphy-Simulationen aufgelistet. Das detaillierte Verständnis der Physik und der Eigenschaften präexistenter Oxiddefekte kann zukünftige Studien der noch ungeklärten Degradationsmechanismen von Oxiden in MOS-Bauelementen erleichtern. Darüber hinaus erlaubt die Ergänzung des physikalischen Modells für präexistente Defekte mit einem phänomenologischen Modell zur Beschreibung der Defektgeneration und -transformation eine sehr genaue und performante Berechnung der Lebensdauer von MOS Bauteilen. Damit kann das in dieser Dissertation dargestellte Comphy-Modellierungssystem zu der Entwicklung und Verbesserung von MOS-Technologien beitragen.

Metal-oxide-semiconductor (MOS) devices are a key driver of modern technologies. Of particular importance are MOS field-effect transistors (MOSFETs), which act as binary switches for electrical currents by exploiting the field effect. It is through the embedding of billions of these devices into single chips that the extensive computation that underpins modern life is made possible. A major design challenge within these technologies is to ensure maximal performance while simultaneously guaranteeing reliable behavior throughout the entire projected lifetime of the device. Of chief importance are instabilities which are sensitive to the gate bias voltage and the temperature. This phenomenon is termed bias temperature instability (BTI) and is one of several reliability issues related to charge trapping in the oxide layer of these devices. The first reports of BTI were presented more than 50 years ago, but despite ongoing research efforts and continual economic interest, the fundamental physics is still not fully understood. From early on, diffusive processes and thermally activated reactions have been deemed responsible for BTI, and since then, the question as to which of these two processes governs the degradation kinetics remains controversial. Recent technology advancements have shed some light on these processes, and it has since been shown that many reliability phenomena can be consistently described through non-radiative multi-phonon (NMP) theory. In particular, the 4-state NMP model was successfully applied to describe degradation due to pre-existing oxide defects. In addition to these pre-existing defects, there is some evidence of a more elusive degradation mechanism, which is believed to be related to defect generation and transformation involving the relocation of hydrogen in the oxide. In this work, the 4-state NMP model will be employed to reproduce a broad range of experimental degradation data. Starting with an analysis of pre-existing defects in simple SiO2 oxides at negative bias temperature instability (NBTI) conditions, a unified modeling approach will be presented for such defects in devices with high-k gate stacks at NBTI and positive bias temperature instability (PBTI) conditions. Furthermore, it will be shown that the essential physics of these rather complex degradation mechanisms can be captured with high accuracy through a more simplified model. This condensed physical description is implemented within a new modeling framework called Comphy, short for “compact-physics”. With this framework, the key physical properties of oxide defects in SiO2 and HfO2 oxides for various device processes are extracted and consistent results for both NBTI and PBTI stress are obtained. For transparency, all parameters used in the Comphy-based studies will also be listed in this work. The detailed insights into the governing physics of pre-existing oxide defects developed here can aid future studies of the still elusive degradation mechanisms within oxides in MOS devices. Furthermore, by complementing the physical model for pre-existing oxide defects with a phenomenological description of defect generation and transformation, fast and accurate predictions of device lifetimes can be obtained. Thus, the Comphy framework presented in this thesis can contribute to the continuing improvement of MOS technology.