Impact of charge transitions at atomic defect sites on electronic device performance

Abstract

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte zu optimieren. Eine der am häufigsten genutzten Methoden zur Steigerung der Rechenleistung ist die Verkleinerung der halbleiterbasierten Materialsysteme, was die Integration einer wachsenden Anzahl elektronischer Bauteile auf derselben Fläche ermöglicht. Durch diese Bemühungen können heutzutage Transistorabmessungen von wenigen Nanometern erreicht werden. In dieser Größenskala hängen die Zuverlässigkeit und in manchen Fällen sogar die Funktionalität elektronischer Geräte von kleinen Unregelmäßigkeiten, wie etwa Defekten, in der atomaren Struktur der verwendeten Materialien ab. Solche atomaren Defekte können mechanische Spannungen induzieren und die Lokalisierung von Ladungsträgern begünstigen, was in der Folge die Elektrostatik eines Gerätes verändert.Die Identifizierung und Charakterisierung elektrisch aktiver Defektstellen ist daher ein vielversprechender Ansatz, um physikalische Prozesse, die zum Einfangen von Ladungen führen, besser zu verstehen und daraufhin die Optimierung elektronischer Geräte voranzutreiben. Experimentell können Defekte durch verschiedene spektroskopische Techniken oder elektrische und optische Messungen untersucht werden. Aus theoretischer Sicht hat sich insbesondere die Dichtefunktionaltheorie (DFT) als eine zuverlässige und genaue quantenmechanische Methode etabliert, um Materialeigenschaften basierend auf ab-initio-Berechnungen vorherzusagen. In der vorliegenden Arbeit wird DFT angewendet, um phononengetriebene und optische Ladungsübergänge an atomaren Defekten und intrinsischen Ladungsfallen in kristallinen, amorphen und zweidimensionalen (2D) Materialsystemen, wie sie in der modernen Elektronik eingesetzt werden, zu untersuchen.Der Einfluss von wasserstoffhaltigen Defekten in amorphem Siliziumdioxid (a-SiO2) auf Zuverlässigkeitseffekte, die in Si- und SiC-basierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) beobachtet wurden, wird statistisch analysiert. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass wasserstoffhaltige Defekte sowohl Elektronen als auch Löcher von Siliziumsubstraten durch einen nicht-strahlenden Multiphononenübergang (NMP) einfangen können. Solche Ladungsprozesse werden als Ursache für Phänomene, wie Bias-Temperatur-Instabilität (BTI) und stochastisches Telegrafenrauschen (RTN), betrachtet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass Defekte in metastabilen Konfigurationen existieren können, was zu anomalem Verhalten und zu schlagartig nicht mehr detektierbaren Defekten führen kann. Die Ergebnisse der DFT-Berechnungen dienen als Grundlage für ein Mehrzustands-Defektmodell, welches statistische Einblicke in die komplexen Prozesse der Ladungslokalisierung in a-SiO2 ermöglicht.Zuletzt hat sich die Implementierung zweidimensionaler Halbleiter in elektronische Geräte als vielversprechender Ansatz für die Herstellung von ultraskalierten FETs etabliert. Da solche Geräte noch nicht die für die industrielle Fertigung erforderliche Reproduzierbarkeit erreichen, sind physikalische Modelle notwendig, um Messungen zu interpretieren und folgend experimentelle Entwicklungen zu unterstützen. In dieser Arbeit werden die Ladungszustände der Wolfram-Vakanz (VW) und der Selen-Antiseite (SeW) in einer zweidimensionalen Einzelschicht von Wolframdiselenid (1L-WSe2) charakterisiert. Übereinstimmend mit Messungen und Gerätesimulationen wird dargelegt, dass beide Defekttypen für gemessene RTN-Signale verantwortlich sein können, da sie in der Lage sind, Löcher einem NMP-Prozesses folgend einzufangen und wieder freizusetzen.Für Charge Trap Flash (CTF)-Geräte sind hingegen Ladungsfallen in Siliziumnitrid (Si3N4) von zentraler Bedeutung für ihre Funktionalität, da Si3N4 hier üblicherweise explizit als die Ladungsspeicherschicht der Geräte implementiert wird. Um die atomare Natur der verantwortlichen Strukturen zu untersuchen, wird zunächst mithilfe von maschinellem Lernen ein interatomares Potential (MLIP) entwickelt, um daraufhin realistische amorphe Siliziumnitrid Strukturen (a-Si3N4 und a-Si3N4:H) mittels Molekulardynamik (MD) Simulationen zu erzeugen. Die Analyse der elektronischen Struktur der Nitride ergibt, dass sich sowohl Elektronen als auch Löcher an über- und unterkoordinierten Atomen im amorphen Netzwerk lokalisieren können. Zudem wird argumentiert, dass Elektronen und Löcher Polarone an vollständig koordinierten Atomen bilden können, was zum Memory-Effekt von CTFs beitragen kann.Des Weiteren werden die optischen Eigenschaften von Vakanzdefekten im Hoch-κ-Isolator α-Al2O3 im Rahmen der allgemeinen Theorie der Lumineszenz untersucht. Die durch atomare Schwingungen hervorgerufene Verbreiterung von Emissions- und Absorptionsspektren wird mittels effektiver Phononenmoden, die mit Parametern aus ab-initio-Berechnungen modelliert wurden, vorhergesagt. Die berechneten Lumineszenz- und Absorptionsspektren der neutralen und einfach geladenen Sauerstoffvakanz sind in guter Übereinstimmung mit Spektroskopiedaten der F und F+ Zentren. Energiebarrieren für die Migration zwischen der Aluminium-Vakanz und der Aluminium-Teilvakanz werden für verschiedene Ladungszustände des Defekts berechnet und die Verbreiterung der optischen Spektren beider Konfigurationen wird ausgewertet.

Over the last decades, enormous efforts have been devoted to optimizing the performance of electronic devices. One of the most prevalent ways to improve the computational power is the downscaling of the semiconductor based material systems, which allows for the integration of an increasing number of electronic components on the same area. Nowadays, the dimensions of single transistors have already reached the low nanometer regime. At this scale, the reliability, and in some cases even the functionality, of electronic devices depend on small irregularities, such as defects, in the atomic structure of the utilized materials. This is because atomic defects can induce strain and lead to the localization of charge which alters the electrostatics of a device. Identifying and characterizing electrically active defect sites is thus a promising approach to gain insights into charge trapping dynamics and to continue the optimization of electronic devices. Experimentally, defects can be studied by various spectroscopy techniques or electrical and optical measurements. On the theoretical side, density functional theory (DFT) in particular has been established as a reliable and accurate quantum mechanical method to predict material properties based on first-principles calculations. In this thesis, DFT is used to investigate phonon-driven and optical charge transitions at atomic defects and intrinsic charge trapping sites in crystalline, amorphous and two-dimensional (2D) material systems as employed in modern electronics.The impact of hydrogen-related defects in amorphous silicon dioxide (a-SiO2) on reliability degrading effects as detected in Si and SiC based metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) is statistically investigated. It isdemonstrated that H atoms introduce defects in the amorphous network that can trap both electrons and holes from Si substrates, following a non-radiative multi-phonon (NMP) transition. Such charge trapping processes have been suspected to be the cause for phenomena like bias temperature instability (BTI) and random telegraph noise (RTN). Furthermore, it is shown that defects can exist in metastable configurations, which can lead to anomalous behavior and vanishing electrically active defects. The results of the DFT calculations are used to propose a multi-state defect model, providing statistical insights into the complex charge trapping mechanisms in a-SiO2. Recently, the use of two-dimensional (2D) semiconductors in electronic devices has been recognized as a promising approach for the production of ultra-scaled FETs. As such devices still lack the reproducibility needed for industrial fabrication, physical models are required to interpret measurements and to give guidance for experimentalists for further developments. In this thesis, the charge trapping properties of the tungsten vacancy (VW) and the selenium antisite (SeW) in two-dimensional monolayer WSe2 are characterized. In agreement with measurements and device simulations, it is demonstrated that both defect types can be responsible for detected RTN signals by capturing and emitting holes following an NMP process.In silicon nitride (Si3N4), charge trapping sites are essential for the functionality of charge trap flash (CTF) devices, where Si3N4 is commonly used as the charge storage layer in the utilized material stacks. To study the atomic nature of the responsible charge trapping sites, first a machine learning interatomic potential (MLIP) is developed to generate realistic amorphous silicon nitride thin films (a-Si3N4 and a-Si3N4:H) with molecular dynamics (MD). By analyzing the electronic structure of the nitrides, it is demonstrated that both electrons and holes can localize at over- and undercoordinated sites in the amorphous network and form polarons at fully coordinated sites. It is thus argued, that these intrinsic sites can contribute to the memory effect of CTFs.Furthermore, optical properties of vacancies in the high-κ insulator α-Al2O3 are investigated within the general theory of luminescence. The vibrational broadening of emission and absorption spectra are predicted based on effective phonon modes, which were modeled with parameters from first-principles calculations. The luminescence and absorption line shape function of the neutral and singly charged oxygen vacancy show good agreement with spectroscopy data of the F and F+ center. Migration barriers between the aluminum vacancy and the aluminum split vacancy are calculated for different charge states of the defect and the vibrational broadening of their optical spectra is evaluated.