<div class="csl-bib-body">
<div class="csl-entry">Triebl, O. (2012). <i>Reliability issues in high-voltage semiconductor devices</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2012.27576</div>
</div>
-
dc.identifier.uri
https://doi.org/10.34726/hss.2012.27576
-
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.12708/18033
-
dc.description
http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/triebl/
-
dc.description.abstract
Halbleiterbauelemente 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.abstract
Semiconductor 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.language
English
-
dc.language.iso
en
-
dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
-
dc.subject
smart power
de
dc.subject
high-voltage
de
dc.subject
Drift-Diffusion
de
dc.subject
Simulation
de
dc.subject
tcad
de
dc.subject
hot-carrier Degradation
de
dc.subject
Stoßionisation
de
dc.subject
Vektordiskretisierung
de
dc.subject
smart power
en
dc.subject
high-voltage
en
dc.subject
drift-diffusion
en
dc.subject
simulation
en
dc.subject
tcad
en
dc.subject
hot-carrier degradation
en
dc.subject
impact-ionization
en
dc.subject
vector discretization
en
dc.title
Reliability issues in high-voltage semiconductor devices
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.2012.27576
-
dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
-
dc.rights.holder
Oliver Triebl
-
tuw.version
vor
-
tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
-
dc.contributor.assistant
Gröschl, Martin
-
tuw.publication.orgunit
E360 - Institut für Mikroelektronik
-
dc.type.qualificationlevel
Doctoral
-
dc.identifier.libraryid
AC07814503
-
dc.description.numberOfPages
151
-
dc.thesistype
Dissertation
de
dc.thesistype
Dissertation
en
dc.rights.identifier
In Copyright
en
dc.rights.identifier
Urheberrechtsschutz
de
tuw.assistant.orcid
0000-0002-4450-1531
-
item.languageiso639-1
en
-
item.mimetype
application/pdf
-
item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
-
item.fulltext
with Fulltext
-
item.openairetype
doctoral thesis
-
item.grantfulltext
open
-
item.openaccessfulltext
Open Access
-
item.cerifentitytype
Publications
-
crisitem.author.dept
E360 - Institut für Mikroelektronik
-
crisitem.author.parentorg
E350 - Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik