Multiscale modeling of defect-related reliability phenomena in nanoelectronics

Abstract

The ongoing rapid miniaturization of integrated circuits has led to numerous breakthroughs, including global communication networks, industrial automation, and artificial intelligence (AI). In particular AI is expected to drive further device down-scaling in the coming years to meet its increasing computational demands. However, as transistors — the fundamental building blocks of digital circuits — approach atomic scales, new challenges emerge. A key issue is the unavoidable presence of point defects within the gate insulator or at the channel/insulator interface. These defects can capture or emit charges during device operation, causing device characteristics to drift, a phenomenon known as bias temperature instability (BTI). Additionally, the same charge trapping processes contribute to random telegraph noise (RTN), which persists even at cryogenic temperatures and complicates the realization of robust solid-state qubits. Since even a single defect can render a small-scale device inoperable, a detailed understanding of defects and the charge trapping physics is essential for accurately modeling and predicting non-ideal device behavior.This work employs a multiscale modeling approach to investigate both the microscopic charge trapping mechanisms and their macroscopic impact on device performance. At the atomic level, the electronic structure of defects is explored using density functional theory (DFT), providing insights into the charge trapping process and enabling the prediction of key defect parameters, such as thermodynamic charge trap levels and relaxation energies. These parameters can then be integrated into macroscopic device models to, for instance, predict threshold voltage drifts over a device’s lifetime under specific operating conditions. Conversely, experimental data from accelerated stress tests can be used to infer underlying defect parameters and identify responsible defects through comparisons with DFT predictions.Several new models and methods have been developed and implemented in the compact physics device simulator Comphy, which is based on nonradiative multiphonon (NMP) theory to describe charge trapping at the device level. By combining DFT results with Comphy, new insights in device reliability physics have been achieved. For example, it is demonstrated that self-trapped electrons (polarons) in the amorphous gate oxide contribute to gate-leakage currents via trap-assisted tunneling. Furthermore, persistent noise in CMOS devices at cryogenic temperatures has been linked to Si dangling bonds (Pb centers) at the Si/SiO2 interface. To facilitate the extraction of defect parameters from degradation experiments, a novel method called the Effective Single Defect Decomposition (ESiD) is introduced. This method enables fast and robust parameter extractions from averaged defect responses in large-area devices, offering an alternative to more time-consuming single-defect characterizations.In addition to studying pre-existing oxide defects, this work confirms earlier experimental observations of Si-H bond dissociation in SiO2 through hole trapping, which generates electrically active Si dangling bonds in the oxide. Beyond these more applied advances, this thesis also makes a contribution to NMP theory by incorporating nonlocal electron-phonon couplings into the widely used 1-dimensional treatment of nonradiative transitions.

Die fortlaufende rasante Miniaturisierung integrierter Schaltkreise hat zahlreiche Durchbrüche ermöglicht, darunter globale Kommunikationsnetzwerke, industrielle Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI). Insbesondere wird erwartet, dass KI in den kommenden Jahren die weitere Verkleinerung von Bauelementen vorantreiben wird, um den steigenden Rechenanforderungen gerecht zu werden. Allerdings treten hier neue Herausforderungen auf, da Transistoren – die grundlegenden Bausteine digitaler Schaltungen – atomare Größenordnungen erreichen. Ein zentrales Problem ist die unvermeidbare Präsenz von Punktdefekten innerhalb des Gate-Isolators oder an der Kanal-Isolator-Grenzfläche. Diese Defekte können während des Betriebs Ladungen einfangen oder abgeben, was zu einem Drift der Bauelementeigenschaften führt, ein Phänomen, das als Bias-Temperature-Instability (BTI) bekannt ist. Darüber hinaus führt der Ladungseinfang an Defekten zu Random Telegraph Noise (RTN), das selbst bei kryogenen Temperaturen bestehen bleibt und beispielsweise die Realisierung robuster Qubits in Festkörpern erschwert. Da bereits ein einzelner Defekt ein nanoelektronisches Bauelement unbrauchbar machen kann, ist ein detailliertes Verständnis von Defekten und der Physik des Ladungseinfangs entscheidend für die genaue Modellierung und Vorhersage des nicht-idealen Bauelementverhaltens.Diese Arbeit verfolgt einen Mehrskalenmodellierungsansatz, um sowohl die mikroskopischen Mechanismen des Ladungseinfangs als auch deren makroskopischen Auswirkungen auf die Charakteristiken des Bauelements zu untersuchen. Auf atomarer Ebene wird die elektronische Struktur von Defekten mithilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) erforscht, um Einblicke in den Einfangprozess zu gewinnen und wichtige Defektparameter wie das thermodynamische Defektlevel und die Relaxationsenergien vorherzusagen. Diese Parameter können dann in makroskopische Bauelementmodelle integriert werden, um beispielsweise die Verschiebung der Schwellenspannung über die Lebensdauer eines Bauelements unter spezifischen Betriebsbedingungen vorherzusagen. Umgekehrt können experimentelle Daten aus beschleunigten Stresstests genutzt werden, um zugrunde liegende Defektparameter abzuleiten und die verantwortlichen Defekte durch Vergleiche mit DFT-Vorhersagen zu identifizieren.Mehrere neue Modelle und Methoden wurden entwickelt und im kompakten physikbasierten Bauelementsimulator Comphy implementiert, der auf der Nonradiative Multiphonon (NMP) Theorie basiert, um den Ladungseinfang im Oxid auf Bauelementebene zu beschreiben. Durch die Kombination von DFT-Erkenntnissen mit Comphy wurden neue Erkenntnisse in der Zuverlässigkeitsphysik von Bauelementen erreicht. So wird beispielsweise gezeigt, dass Polaronen im amorphen Gate-Oxid durch Trap-Assisted Tunneling zu Gate-Leckströmen beitragen. Darüber hinaus wurde das anhaltende Rauschen in CMOS-Bauelementen bei kryogenen Temperaturen mit Si-Dangling-Bonds (Pb-Zentren) an der Si/SiO2-Grenzfläche in Verbindung gebracht. Um die Extraktion von Defektparametern aus Degradationsexperimenten zu erleichtern, wird eine neuartige Methode namens Effective Single Defect Decomposition eingeführt. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und robuste Parameterextraktion aus einfachen BTI Experimenten und bietet daher eine Alternative zu zeitaufwendigeren Einzeldefekt-Charakterisierungen.Neben der Untersuchung bereits bestehender Oxiddefekte bestätigt diese Arbeit frühere experimentelle Beobachtungen über die Dissoziation von Si-H Bindungen durch Löchereinfang, wodurch elektrisch aktive Si-Dangling-Bonds im Oxid entstehen. Über diese anwendungsbezogenen Fortschritte hinaus trägt diese Dissertation auch grundlegend zur NMP-Theorie bei, indem nicht-lokale Elektron-Phonon-Kopplungen in die weit verbreitete eindimensionale Behandlung nichtstrahlender Übergänge einbezogen werden.