Title: Hole trapping and the negative bias temperature instability
Language: English
Authors: Gös, Wolfgang 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Grasser, Tibor 
Assisting Advisor: Süss, Dieter 
Issue Date: 2011
Number of Pages: 173
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Mit der Miniaturisierung der MOS-Transistoren ist ein neues Phänomen zum Vorschein gekommen, welches als Negative Bias Temperature Instability (NBTI) bezeichnet wird und sich zu einem ernsthaften Zuverlässigkeits- bzw. Lebensdauerproblem entwickelt hat. Der komplexe Mechanismus hinter NBTI ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Es konnte jedoch Einigkeit darüber erzielt werden, dass Ladungsträger im Substrat von Oxidedefekten eingefangen werden und dort bis zum Ende der Stressperiode verbleiben. Dieser Vorgang ist mit einer Verschiebung der Schwellspannung verbunden, welche die Bauteilcharakteristiken beeinflusst und die Lebensdauer der Bauteile empfindlich verkürzt. Es wird vermutet, dass diese Ladungsträger während der Relaxationsphase wieder von den Oxiddefekten emittiert werden und daher die Schwellspannung wieder zu ihrem ursprünglichen Wert zurückkehrt. Die Einfang- und Emissionsprozesse während der Stress- sowie der Relaxationsphase werden als Charge-Trapping bezeichnet und rücken ins Zentrum der Untersuchungen dieser Arbeit.
Charge-Trapping basiert auf einem Transfer der Ladungsträger zwischen dem Kanal und den Defekten. Zahlreiche, in der Literatur vorgestellte Modelle beschreiben diesen Ladungstransfer auf unterschiedlichem theoretischen Niveau. Diese Modelle werden im Zuge dieser Arbeit hinsichtlich der NBTI nochmals überprüft und in einem bestehenden Bauteilsimulator zum Vergleich mit Experimenten eingebaut. Diese Evaluierung basiert auf einer Liste von Kriterien, welche die besonderen Merkmale des Bauteilverhaltens für zum Beispiel unterschiedliche Einsatztemperaturen, Gatespannungen oder Stresszeiten beinhalten.
Im einfachsten Modell basiert der Ladungstransfer auf elastischem Tunneln von Elektronen, welche ihre Energie während des Übergangs beibehalten. Diese Art von Ladungstransfer bildet die Basis des Elastic-Tunneling-Models dar, welches als erste Möglichkeit für ein NBTI-Modell untersucht wird. Ein spezielles Augenmerk wurde dabei auf das Temperaturverhalten des Modells gelegt, was eine genauere Untersuchung der Quantisierungseffekte im Kanal eines MOS-Transistors erfordert. In den neuesten Bauteiltechnologien wurde die Oxiddicke auf ein paar wenige Nanometer reduziert, sodass frühere Untersuchungen um den Einfluss des Tunnelns vom und zum Gatekontakt erweitert werden müssen.
Ausgeklügeltere Konzepte berücksichtigen die Tatsache, dass die atomistische Defektkonfiguration eine entscheidende Rolle während eines Ladungstransfers spielt. Nachdem ein Defekt einen Ladungsträger vom Substrat eingefangen hat, unterzieht er sich einer Strukturrelaxation, welche eine Stärkung, eine Schwächung oder sogar einen Bruch von Atombindungen verursachen kann. Interessanterweise hat diese Relaxation auch eine Verschiebung des Traplevels zur Folge -eine Tatsache, die bisher unberücksichtigt geblieben ist. Mit Hilfe von First-Principles-Simulations kann gezeigt werden, dass einige Defekte eine solche Traplevelverschiebung aufweisen, deren Effekt auf die Trappingdynamik detailliert untersucht werden muss. Weiters, wird auch ein neues Modell entwickelt, welches diese Traplevelverschiebung berücksichtigt und basierend auf den zuvor genannten experimentellen Kriterien evaluiert wird.
Die realistischste Beschreibung des Ladungstransfers ist die Non-radiative-Multiphonon-Theory - ursprünglich für die Lichtabsorption von Molekülen entwickelt und später für den Ladungsträgereinfang und der Ladungsträgeremission in Festkörpern verallgemeinert. Diese Art von Prozessen setzt eine Aktivierung über eine thermische Barriere voraus und führt daher zu einer Temperaturabhängigkeit, die im Fall von elastischem Tunneln nicht vorhanden ist. In dieser Arbeit wird eine vereinfachte Variante dieses Prozesses für das Two-Stage-Model verwendet. In diesem wird Charge-Trapping mit einer Wasserstoffreaktion als gekoppelt angenommen. Auch wenn dieses erweiterte Modell erfolgreich die Verschiebung der Schwellspannung bei NBTI-Experimenten in Simulationen reproduzieren kann, spiegelt es gemäß der Time-Dependent-Defect-Spektroscopy (TDDS) nicht korrekt die mikroskopischen Prozesse wider. In einer erweiterten Variante des Two-Stage-Models wurde diese Schwäche durch ein Verfeinern der Beschreibung des Ladungstransfers und durch die Berücksichtigung von metastabilen Zuständen in diesem Modell behoben. Mit diesen Modifikationen liefert das verbesserte Two-Stage-Model eine Erklärung für die Rauschphänomene, welche in Random-Telegraph-Noise- und TDDS-Messungen beobachtet wurden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Charge-Trapping in NBTI für verschiedene Erklärungen des Ladungstransfers untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die verbesserte Variante des Two-Stage-Models konsistent mit einer Reihe von der in NBTI- und Rauschmessungen beobachteten Merkmalen ist. Aus diesem Grund wird dieses Modell als die beste Beschreibung von Charge-Trapping aus der heutigen Sicht angesehen.

With the continuing miniaturization of MOS transistors, a phenomenon called the negative bias temperature instability (NBTI) has evolved into a serious reliability concern. In the newest device technologies, its detrimental impact complicates reliable lifetime projection of the devices. Even though this fact has aroused large industrial and scientific interest, the complex mechanism behind NBTI has only been partially clarified so far. At least it has been agreed that substrate charge carriers are captured in oxide or interface defects and remain there until the end of the stress period. This is associated with a threshold voltage shift, which affects the device characteristics and considerably shortens the device lifetime. During relaxation, the same charge carriers are suspected to be emitted from the oxide defects so that the threshold voltage returns towards its initial value. The capture and emission of charge carriers during stress and relaxation are known under the name charge trapping and will be the focus of this thesis.
Charge trapping involves a transfer of charge carriers between the channel and defects. Several different models from literature describe this charge transfer at various levels of sophistication. They are re-examined in the light of NBTI and incorporated into an existing device simulator for comparison to measurements. This evaluation is based on a list of criteria, which include particular features of the device behavior under different operation temperatures, gate biases, and stress times.
In the simplest model, the charge transfer is based on elastic tunneling, which involves an electron whose energy must be preserved during a transition. This kind of a charge transfer reaction is the basis for the elastic tunneling model, studied as the first candidate for NBTI. A special focus is put on the temperature behavior of this model, requiring an investigation of the quantization effect within the channel of a MOS transistor. Furthermore, the oxide thicknesses have been downsized to a few nanometers in modern MOS technologies so that previous investigations must be extended to account for elastic tunneling to and from the gate contact.
A more sophisticated concept also accounts for the fact that the defect configuration plays a crucial role in the charge transfer process. After a defect has captured a charge carrier from the substrate, it undergoes structural relaxation, including strengthening, weakening, or even breaking of bonds. Most importantly, this relaxation results in a shift of the trap level --- a fact that has remained unconsidered so far. Using first principles simulations, it is proven that several defects have a large level shift whose effect on the trapping dynamics needs to be studied in more detail. A new model is developed, which accounts for the level shift and is evaluated based on the list of experimental criteria mentioned before.
The most realistic description of the charge transfer is given by nonradiative multiphonon (NMP) theory, which has initially been developed for light absorption of molecules and later generalized to charge capture and emission in solids. This kind of process involves an activation over a thermal barrier and thus leads to a temperature dependence, which is missing in the case of the elastic tunneling model for instance. In this thesis, a simplified variant of this process is used for the so-called two-stage model, in which charge trapping is coupled to a hydrogen reaction. Even though this model can successfully reproduce the threshold voltage shift observed in NBTI experiments, it does not reflect the correct microscopic processes as shown by time-dependent defect spectroscopy (TDDS). In an extended variant of the two-stage model, this deficiency has been overcome by refining the description of the charge transfer process and incorporating a metastable state in this model. With these modifications, the improved two-stage model can also give an explanation of the noise phenomena observed in random telegraph noise and TDDS measurements.
In conclusion, hole trapping in NBTI is investigated using different explanations for the charge transfer. It is demonstrated that the refined variant of the two-stage model is consistent with the plenty of experimental features seen in NBTI and noise measurements. For this reason, this model is expected to be the best description of hole trapping from the present perspective.
Keywords: Mikroelektronik; Negative-Bias-Temperature-Instability
microelectronics; negative bias temperature instability; charge trapping; elastic electron tunneling; nonradiative multi-phonon process; random telegraph noise
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2011.25057
http://hdl.handle.net/20.500.12708/18034
DOI: 10.34726/hss.2011.25057
Library ID: AC07812296
Organisation: E360 - Institut für Mikroelektronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:


Page view(s)

5
checked on Aug 4, 2021

Download(s)

5
checked on Aug 4, 2021

Google ScholarTM

Check


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