DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorGrasser, Klaus-Tibor-
dc.contributor.authorTriebl, Oliver-
dc.date.accessioned2021-07-09T08:28:22Z-
dc.date.issued2012-
dc.date.submitted2012-10-
dc.identifier.urihttps://doi.org/10.34726/hss.2012.27576-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.12708/18033-
dc.descriptionhttp://www.iue.tuwien.ac.at/phd/triebl/-
dc.description.abstractHalbleiterbauelemente spielen in den verschiedensten Anwendungsbereichen eine bedeutende Rolle. Technologische Fortschritte, Anforderungen von Kunden und nicht zuletzt der Kostendruck führen zu immer höheren Packungsdichten. Weiters werden häufig "High-Voltage" Bauelemente mit hoch integrierten digitalen Schaltkreisen auf einem Siliziumchip zu sogenannten "Smart-Power" Bauelementen vereint. Um die Anforderungen bei der stetig steigenden Komplexität der Bauelemente erfüllen zu können, ist der Einsatz von Simulationssoftware erforderlich. Dabei handelt es sich um so genannte "Technology Computer-Aided Design" (TCAD) Tools.<br />Aus der Reihe von verfügbaren "High-Voltage" Bauelementen konzentriert sich diese Arbeit auf Feldeffekttransistoren mit Betriebsspannungen zwischen 5 und 60V. Die wichtigsten Transistortypen sowie Designtechniken werden vorgestellt. Eine hohe Zuverlässigkeit dieser Bauteile ist für die Halbleiterindustrie von essenzieller Bedeutung, weswegen in dieser Arbeit die für die Degradation relevanten physikalischen Prozesse erörtert werden. In "High-Voltage" Bauelementen zählen Mechanismen in Verbindung mit heißen Ladungsträgern zu den wichtigsten Verursachern von Zuverlässigkeitsproblemen. Daher widmet sich diese Arbeit den beiden Prozessen Stoßionisation und "Hot-Carrier" Degradation und untersucht die Prozesse vor allem aus dem Blickwinkel der Modellierung und Simulation. Hierbei wird im speziellen mit dem Drift-Diffusionsmodell gearbeitet und dabei werden die Möglichkeiten sowie Grenzen dieses Modells aufgezeigt.<br />Der erste durch heiße Ladungsträger verursachte Prozess, der in dieser Dissertation behandelt wird, ist die Stoßionisation. Die Relevanz für die Zuverlässigkeit im Bereich der "Smart-Power" Bauelemente wird anhand einer Simulationsstudie über das "Snap-Back" Verhalten aufgezeigt und mögliche Optimierungen werden diskutiert. Beim zweiten in dieser Arbeit behandelten Prozess, der "Hot-Carrier" Degradation, wird im Besonderen auf einen neuen, auf die Verteilungsfunktion der Ladungsträger basierenden Ansatz eingegangen. Da die vollständige Berechnung der Verteilungsfunktion aus der Boltzmannschen Transportgleichung sehr zeitintensiv ist, erscheint der Nutzen dieses Modells für die Industrie derzeit noch gering. Als Alternative dazu werden in dieser Arbeit Ansätze, die auf dem Drift-Diffusionsmodell basieren, untersucht, welche für die maßgeblichen Bauelemente gute Ergebnisse liefern.<br />Bei der Simulation von "High-Voltage" Bauelementen kommt es oft zu numerischen Problemen, im Besonderen bei der Berücksichtigung der Stoßionisation. Für eine akkurate Modellierung dieses Prozesses im Drift-Diffusionsmodell ist eine passende Diskretisierung von Vektorgrößen von essenzieller Bedeutung. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss verschiedener Verfahren für die Vektordiskretisierung auf das Konvergenzverhalten und die erzielte Genauigkeit untersucht.<br />de
dc.description.abstractSemiconductor devices are used in many different application areas and play an important role in the modern world. Advances in technology, customer demands, and cost pressure lead to higher integration densities and to smart power structures, which incorporate high- and low-voltage devices on the same chip. Because of the down-scaling and the rising complexity of devices, it becomes an increasingly challenging task to obtain the required reliability demands. Therefore, technology computer-aided design (TCAD) tools are used to simulate semiconductor devices.<br />While the term high-voltage is often used for a wide range of devices, this thesis is focused on field-effect transistors with operating voltages ranging from 5 to 60V. The most important devices among this class type as well as relevant design techniques are presented. Since reliability in these high-voltage field-effect transistors is a major concern for the semiconductor industry, the physical processes behind the degradation occurring in semiconductor bulk, oxide, and their interfaces are discussed in this work. However, probably the most important degradation processes in high-voltage devices are those related to the hot-carrier phenomena impact-ionization and hot-carrier degradation. These two topics are addressed in detail from a modeling and simulation perspective. In particular, simulations based on the drift-diffusion (DD) framework are used and the possibilities and limitations of modeling hot-carrier induced phenomena herein are discussed.<br />Impact-ionization generation is the first hot-carrier process presented in this thesis, starting with a summary on the different modeling approaches. The importance of impact-ionization generation for the reliability of high-voltage smart power devices is demonstrated in a case-study. In this study the snap-back behavior of a parasitic bipolar structure is investigated and structure optimizations are discussed. The second process driven by high energetic carriers is hot-carrier degradation. A physics-based modeling approach relying on the carrier energy distribution function which is derived from Boltzmann's transport equation is presented. The long simulation times required to calculate the distribution function make this approach not very flexible for industrial use. Therefore, variations of this model based on the DD framework have been investigated and show to deliver good results for relevant devices.<br />Simulations of high-voltage devices often lead to numerical difficulties, especially if impact-ionization generation has to be considered. In the DD framework the modeling of impact-ionization requires an accurate discretization of vector quantities such as the current densities and the driving force, which is numerically very challenging. Different vector discretization schemes are presented and their influence on the convergence behavior and accuracy is analyzed.<br />en
dc.formatXIV, 151 S.-
dc.languageEnglish-
dc.language.isoen-
dc.subjectsmart powerde
dc.subjecthigh-voltagede
dc.subjectDrift-Diffusionde
dc.subjectSimulationde
dc.subjecttcadde
dc.subjecthot-carrier Degradationde
dc.subjectStoßionisationde
dc.subjectVektordiskretisierungde
dc.subjectsmart poweren
dc.subjecthigh-voltageen
dc.subjectdrift-diffusionen
dc.subjectsimulationen
dc.subjecttcaden
dc.subjecthot-carrier degradationen
dc.subjectimpact-ionizationen
dc.subjectvector discretizationen
dc.titleReliability issues in high-voltage semiconductor devicesen
dc.typeThesisen
dc.typeHochschulschriftde
dc.identifier.doi10.34726/hss.2012.27576-
dc.contributor.assistantGröschl, Martin-
tuw.publication.orgunitE360 - Institut für Mikroelektronik-
dc.type.qualificationlevelDoctoral-
dc.identifier.libraryidAC07814503-
dc.description.numberOfPages151-
dc.thesistypeDissertationde
dc.thesistypeDissertationen
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.openairetypeThesis-
item.openairetypeHochschulschrift-
item.grantfulltextopen-
item.openaccessfulltextOpen Access-
item.languageiso639-1en-
item.cerifentitytypePublications-
item.cerifentitytypePublications-
item.fulltextwith Fulltext-
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:


Page view(s)

30
checked on Sep 27, 2021

Download(s)

48
checked on Sep 27, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.