Advanced characterization of the bias temperature instability

Abstract

Die steigende Nachfrage nach elektronischen Produkten erfordert eine ständige Optimierung der Massenproduktion. Die Halbleiterindustrie als größter Zulieferer der Elektroniksparte erreicht dieses Ziel, indem sie die mikroelektronischen Bauteile immer weiter verkleinert. Als Folge dieser Verkleinerung wird die Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten wie dem Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor (MOSFET) ein immer ernstzunehmenderes Thema. Die Bias Temperature Instability (BTI) stellt eine solche Herausforderung dar. Sie tritt auf, wenn das Gate eines Transistors unter erhöhter elektrischer Spannung steht. Die darauffolgende Veränderung von diversen Transistorparametern, wie zum Beispiel der Einsatzspannung, wird weiters durch eine erhöhte Temperatur verstärkt. Eine elementare Herausforderung, die zum Verständnis von BTI beitragen soll, besteht darin, dass sich die durch Stress degradierten Parameter nach Beendigung desselben wieder erholen. Man nennt dies Relaxation.<br />In dieser Arbeit werden die Auswirkungen von sowohl negativen als auch positiven Gatespannungen ausführlich mit unterschiedlichen Messtechniken erfasst. Neben den in der Halbleiterindustrie gebräuchlichen handelsüblichen Messinstrumenten werden mitunter auch komplett in Eigenregie entwickelte und gebaute Messinstrumente verwendet. Leider gibt es kein perfektes Setup für die Charakterisierung von BTI und jedes einzelne Equipment hat spezifische Vor- und Nachteile. Basierend auf bereits existierenden Modellen zur Beschreibung von BTI wird gezeigt, dass die Zeitverzögerung, die bei der Messung erfolgt, einen großen Einfluss auf die Beschreibung der Degradation und somit auf die vom Hersteller geschätzte Lebensdauer von Bauteilen hat. Auch aus diesem Grund wird die Relaxation hier genau untersucht. Nachdem unterschiedliches Equipment zur Charakterisierung von BTI verwendet wird und es bisher leider keine allgemein gültigen Spezifikationsrichtlinien gibt, erschwert das den Vergleich von Messdaten. Weiters unterscheidet sich die Nachbehandlung der Messdaten von Messroutinen, was mitunter eine sehr heikle Angelegenheit darstellt.<br />Der einfachste Weg, die Anfälligkeit eines Bauteils für BTI zu bestimmen, besteht darin, zuerst eine Referenzmessung der betroffenen Messgröße vorzunehmen. Nach erfolgtem Stress wird dann die Veränderung der Messgröße evaluiert. Dieser Vorgang wird Messen-Stressen-Messen (MSM) genannt. Durch wiederholtes abwechselndes Messen und Stressen können beliebig viele solcher Relaxationssequenzen aufgenommen werden.<br />Die sehr kurze Zeitverzögerung der Messroutine, die Unempfindlichkeit gegenüber der Beweglichkeitsänderung in Kanal eines MOSFET's und die Möglichkeit eine ungestresste Referenz zu erhalten, spricht für diese Technik im Vergleich zu anderen, obwohl die Stressphase bei MSM nicht aufgezeichnet werden kann. Um letzteres Handikap zu beseitigen, kann MSM mit der on-the-fly Methode, die eine Aufzeichnung der Stresssequenz ermöglicht, kombiniert werden.<br />Ein weiteres Hauptaugenmerk der Arbeit liegt darin, die Bedeutung von Kurzzeit- und Langzeit-verhalten der Relaxation zu untersuchen. Obwohl BTI schon seit Jahrzehnten bekannt ist, kam die Erkenntnis, dass Relaxation über einen logarithmisch gesehen großen Zeitraum stattfindet, erst vor wenigen Jahren. Das ist auch der Grund, warum lange angenommen wurde, dass NBTI ausreichend genau durch Wasserstoffdiffusion in das Oxid erklärt werden kann. Durch die modellbedingte Rückdiffusion kann die Relaxation allerdings nicht zufriedenstellend erklärt werden. Neuere Modellansätze bedienen sich schneller Locheinfangprozesse und der langsameren Generation von Grenzflächenzuständen, um BTI zu erklären.<br />Eine Vielzahl an Versuchen war notwendig, bis ein passender Mechanismus gefunden wurde, der in der Lage ist, das zeitlich sehr weite Relaxationsverhalten zu erklären. Immerhin muss das Modell über 12 Dekaden -- und auch darüber hinaus -- Gültigkeit besitzen. Ein passender Kandidat dafür ist die strahlungslose Multiphonon Theorie, mit der bereits 1/f-Rauschmessungen modelliert wurden. Diese Theorie basiert auf der Annahme, dass die Energie jedes Defektsystems durch ein adiabatisches Potential beschrieben werden kann. Mittels einer solchen Theorie konnte man bereits den Stufenprozess während der Relaxation von kleinflächigen MOSFETs als zeitlich diskret stattfindende Lochabgaben erklären. Weiters kann voraussetzt werden, dass größere MOSFETs auch eine größere Anzahl an Defekten aufweisen. Für diese Defekte kann man ferner unterschiedliche Eigenschaften, wie die energetische oder lokale Position im Oxid annehmen. Damit ist es möglich, Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen, elektrischen Feldstärken im Oxid und auch Stresszeiten mittels der strahlungslosen Multiphonon Theorie zu modellieren, was ihre Gültigkeit in Bezug auf BTI unterstreicht.<br />

To keep up with the growing demand for electronic products, a continous optimization of their mass production is necessary. The semiconductor industry as the main supplier in this market handles this optimization process via miniaturization of microelectronic devices, such as metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) which are investigated here. As a consequence of the device shrinkage, reliabiliy issues like the bias temperature instability (BTI) have become a serious topic. BTI happens when the gate is biased while the transistor is exposed to elevated temperatures. This process severely changes some of the transistor parameters, e.g.<br />the threshold voltage. A fundamental challenge in understanding BTI is that the degradation is found to recover when the bias is removed. In this thesis the characterization of both negative and positive BTI is studied by using different measurement techniques. In addition to commercial measurement tools also equipment conceived and built by Hans Reisinger from Infineon Technologies AG is used. Unfortunately, there is no perfect measurement technique and each one exhibits certain limitations.<br />Based on existing modeling attempts it will be shown that the delay time of the measurement has a huge impact on the characterization of the degradation and therewith on the projected time to failure. This is also the reason why BTI recovery is investigated thoroughly here. Furthermore, BTI is generally not specified in a consistent way because of the different characterization equipments used. A comparison of different measurement routines will show that the postprocessing of measurement output data is a very delicate task.<br />The most simple way to determine the BTI sensitivity of a device is to first take a reference of the quantity that should be characterized, then stress the device for a well-defined time and afterwards measure the change of the quantity. This is called the measurement-stress-measurement (MSM) method. An extended version thereof alternately stresses the device and then monitors the degradation during recovery with ever increasing stress times. The advantages of the MSM technique compared to others are its very short measurement delay time, its insensitivity to mobility changes and the possibility to obtain an unstressed reference prior to stress. In an extended MSM setup the MSM technique is further combined with the on-the-fly method, which monitors the stress. This allows the observation of both stress and recovery. A main task of this work is to study both short- and long-term stress and recovery behavior. Though BTI has been known for some decades, the finding that its recovery is spread over many time scales is quite new. This is also the reason why it was thought for a long time that NBTI can be sufficiently described via the diffusion of hydrogen generated at the interface. However, the well-known reaction-diffusion theory is not able to explain the recovery by back diffusion of hydrogen. Furthermore, the temperature, oxide electric field, and frequency dependencies during stress, which are all observed in experiments, can not be modeled by this theory. Newer modeling approaches are based on faster hole trapping processes and slower interface state generation. It took many attempts to find a possible mechanism that is able to explain the wide time range of the recovery which sometimes exceeds even 12 decades in time. Such wide distributions of time constants have already been observed during the analysis of 1/f-noise spectra. Consequently, the models previously used for the explanation of 1/f-noise where taken as a starting point. In its extended form the defects are described by adiabatic potentials, which eventually determine the non-radiative multi-phonon (NMP) transitions between the various defect states. Upon the application of BTI stress the initial defect potential is shifted in energy and a transition into another defect configuration is favored. During recovery the transition back into its initial configuration is favored in turn. By such a mechanism it was already possible to explain the step-like recovery behavior of small-area devices by hole emission of single defects. Large-area devices can also be modeled by using the same NMP theory with the only difference that more defects are necessary to describe BTI.<br />These defects are assumed to exhibit different energies and distances inside the oxide. The correct description of measurement data that includes different temperatures, oxide electric fields, and stress times finally supports the validity of the NMP model for BTI.