Dispersive transport modeling within the multiple trapping framework

Abstract

Negative Bias Temperature Instability (NBTI) ist ein schwerwiegendes Zuverlässigkeitsproblem moderner Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Es wird auf die Loslösung passivierender Wasserstoffatome von Störstellen in der Grenzschicht von Silizium/Siliziumdioxid zurückgeführt. Das Reaction-Dispersive-Diffusion Modell beschreibt die Diffusion dieser Wasserstoffatome im Oxid mit Hilfe des Multiple-Trapping Formalismus.<br />Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Beschreibung dispersiver Diffusion im Multiple-Trapping Modell. Die mathematischen Eigenschaften des Modells werden mittels analytischer Approximationen für unterschiedliche Trap-Konfigurationen untersucht, unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen von Trap-Sättigung. Unter Verwendung eines eigens dafür entwickelten Simulators wird das Modell auf die Diffusion von Deuterium in amorphen bzw. ungeordneten Materialien angewandt.<br />Verbesserungsmöglichkeiten des Simulators betreffend die Reproduzierbarkeit der beobachteten zeitlichen Entwicklung des Diffusionskoeffzienten sowie betreffend die Berechnung von Deuteriumdiffusion in Proben mit relevanter Wasserstoffkonzentration werden aufgezeigt.<br />Der Vergleich zwischen Messdaten und Modellrechnungen zeigt gute Übereinstimmung bei Temperatur- und Sättigungsverhalten.<br />

Negative bias temperature instability (NBTI) of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) has become a severe reliability issue in modern semiconductor technology. It is generally attributed to depassivation of hydrogen passivated silicon dangling bonds and subsequent diffusion of this hydrogen through the oxide. Within the reaction-dispersive-diffusion model, hydrogen diffusion is described using the multiple trapping approach.<br />Subject of this work is the analysis and evaluation of dispersive diffusion within the multiple trapping framework. The mathematical properties of the model are discussed using analytic approximations for different trap configurations, with a special focus on the properties of saturation. The model was applied to the diffusion of deuterium in disordered materials using a newly implemented simulator.<br />Suggestions are given for the improvement of the simulator, in order to enable the explanation of the time dependent diffusion coeffcient and to simulate deuterium diffusion without elimination of preexisting hydrogen. Simulation output and measurement data show good agreement regarding temperature and saturation behavior.