Mikroskopische Modellierung von NBTI

Wie in der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) dargelegt, werden moderne Metall- Oxid-Halbleiter (MOS) Transistoren immer weiter verkleinert und bereits mit dermaßen kleinen Abmessungen hergestellt, dass das Einfangen eines einzelnen Ladungsträgers im Oxid des Transistors bereits eine signifikante Modifikation der Bauelementparameter hervorruft. Diese Einfangereignisse sind oft reversibel, sie können jedoch auch zu einer permanenten Degradation der Bauelemente führen. Die aus diesem Ladungseinfang resultierenden Fluktuationen im Bauelementverhalten führen dazu, dass Zuverlässigkeitsfragen aus einem neuen Blickwinkel betrachtet werden müssen. Dementsprechend ist auch das Interesse der Industrie an diesen Prozessen immens gestiegen, da zukünftige Bauelementgenerationen auf diese Prozesse Rücksicht nehmen müssen. Auch aus wissenschaftlicher Sicht sind diese Prozesse von höchstem Interesse und werden bereits seit Jahrzehnten intensiv erforscht. Trotz all dieser Bemühungen ist es jedoch nach wie vor nicht möglich, die zahlreichen zur Verfügung stehenden experimentellen Daten mit physikalischen Modellen vollständig zu erklären. NBTI (negative bias temperature instability) ist ein besonders interessantes Beispiel, in welchem der Ladungseinfang im Oxid von signifikanter Bedeutung ist. Das von uns kürzlich entwickelte Two-Stage Modell (TSM) ist ein physikalisches Modell, welches bereits einen Großteil der experimentellen Daten erklären kann. Obwohl das Modell auf zahlreichen in der Fachliteratur veröffentlichen Beobachtungen beruht, wie zum Beispiel die zyklische Umladbarkeit der E` Zentren (Sauerstoffvakanzen) als auch die Erzeugung von Pb Zentren (Grenzflächenzustände) durch Interaktion mit E` Zentren, wirft die Zuordnung dieser Beobachtungen zu NBTI und dem TSM doch zahlreiche Fragen auf, welche wir in diesem Projekt zu beantworten suchen. Eine fundamentale Eigenschaft der Defekte des TSM ist es, dass sie in drei unterschiedlichen atomaren Konfigurationen vorliegen können, wobei sich auch der Ladungszustand unterscheidet. Die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen diesen Zuständen hängen substantiell von den energetischen Defektniveaus als auch den thermischen Barrieren ab, welche derzeit nicht genau bekannt sind. In den letzten Jahren wurden so genannte ab initio Berechnungen vermehrt zur Klärung ähnlicher Fragestellungen herangezogen. Im Besonderen hat sich die Dichtefunktionalstheorie mit hybriden Funktionalen bei der Berechnung von Defekteigenschaften bewährt. In der Literatur wurden bereits einige mögliche Defekte in typischen MOS Materialsystemen vorgeschlagen und zum Beispiel mittels Elektronenspinresonanz- und optischen Absorptionsmessungen evaluiert. Jedoch war es bis jetzt nicht überzeugend möglich, bestimmte Defekte den experimentell beobachtbaren NBTI Daten eindeutig zuzuordnen. Eine genaue Kenntnis der mikroskopischen Defektkonfiguration ist jedoch unbedingt erforderlich um das Auftreten dieser Defekte schlussendlich vermeiden zu können. Dieses Projekt widmet sich nun der Untersuchung jener möglichen Defektkonfigurationen, welche zu den experimentellen NBTI Beobachtungen kompatibel sind. Ausführliche ab initio Berechnungen werden dazu verwendet, um das TSM zu verfeinern und seine Parameter entweder abzuschätzen oder zumindest in ihrem Gültigkeitsbereich einzuschränken. Das verfeinerte TSM wird in einen Schrödinger-Poisson Löser implementiert und anhand des bereits verfügbaren großen Datensatzes evaluiert. Da im Rahmen des Projektes moderne Halbleitertechnologien evaluiert werden, werden die Untersuchungen sowohl für nitridierte als auch high-k Oxide durchgeführt, wobei auch die dünne Zwischenoxidschicht betrachtet werden wird. Schlussendlich wird ein Simulationswerkzeug basierend auf dem verbesserten TSM über die üblichen Veröffentlichungswege des Instituts für Mikroelektronik einer größeren Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

Transistoren begegnen uns alltäglich in zahlreichen elektronischen Geräten und nehmen daher eine wesentliche Rolle in unserer technologiegeprägten Gesellschaft ein. Die stetige Weiterentwicklung dieser elektronischen Bauteile geht mit ihrer Minaturisierung einher. Die Dimensionen dieser elektronischen Bauteile dringen bereits in Größenordnungen vor, in denen einzelne im Dielektrikum eingefangene Ladungen die Bauteilkennlinien stark beeinflussen. Dies stellt ein schwerwiegendes Zuverlässigkeitsproblem dar, das unter dem Namen Bias-Temperature-Instability (BTI) bekannt ist. Eine Erklärung für dieses Phänomen wurde durch eine kürzlich entwickelten Methode namens Time-Dependent-Defect-Spectroscopy geliefert, die die Untersuchung einzelner Defekte erlaubt und zur Entwicklung des Four-State-NMP-Modell führte. Wie der Name schon verrät, basiert dieses mikroskopische Modell auf vier Defektzuständen, welche sich in ihrer Atomkonfiguration, ihrer Stabilität und ihrem Ladungszustand unterscheiden. Auch wenn diese Defekteigenschaften durch die Kalibrierung des Modells auf experimentelle Daten extrahiert werden können, gehen sie als rein empirische Werte in das Modell ein und beschreiben daher einen hypothetischen Defekt. Im Zuge der Suche nach dem tatsächlichen BTI-Defekt wurde eine Reihe von möglichen Kandidaten mittels atomistischer First-Principles-Simulationen untersucht.Unsere Studien gingen von Defektstrukturen aus, welche in Siliziumdioxid (SiO2) vorkommen aber auch in anderen, z.B. geschichteten, Dielektria vermutet werden. Da die meisten bekannten Defekte mit dem Four-State Modell inkompatibel sind, beschränkte sich die Anzahl der im Detail untersuchten Defektkandidaten auf eine kleine Auswahl, einschließlich der Sauerstoffvakanz, der Wasserstoffbrücke und dem Hydroxyl-E'-Center. Es wurde gezeigt, dass nur die letzteren beiden bistabile Konfigurationen besitzen, welche laut unserer TDDS-Analysen ein besonderes Merkmal eines BTI-Defekts sind und deren Existenz daher als ein strenges Kriterium für die Defektvalidierung herangezogen wurden. Ein anderes stark einschränkendes Kriterium war die Position des Traplevel, welches aber nicht von der Sauerstoffvakanz erfüllt wurde. Dieses Kriterium wurde von der Sauerstoffvakanz auch unter Berücksichtigung der amorphen Beschaffenheit von SiO2, welche Variationen in lokalen Bindungsstrukturen zulässt und daher zu einer Streuung der Trapleveln führt, nicht erfüllt. Derartige statistische Untersuchungen wurden nicht nur für die Sauerstoffvakanz sondern auch für die Wasserstoffbrücke und das Hydroxyl-E'-Center durchgeführt und haben beide Defekte als vielversprechende Kandidaten bestätigt.Jüngste Langzeit-TDDS-Studien haben auch Defekte zum Vorschein gebracht, die zeitweise in ihrem neutralen oder positiven Ladungszustand verschwinden und wieder auftauchen. Dieses als Defektvolatilität bezeichnete Phänomen spielt sich üblicherweise auf längeren Zeitskalen ab und ist daher mit der Lebensdauer von Transistoren, einem wesentlich Aspekt der Bauteilzuverlässigkeit, verbunden. Die Erkenntnisse aus diesen TDDS-Studien haben eine Erweiterung des Four-State-NMP-Modells mit zusätzlichen Zuständen erfordert. Unter Zuhilfenahme von First-Principles-Simulationen konnten diese neuen Zustände nur für das Hydroxyl-E'-Center identifiziert werden. Damit erfüllt das Hydroxyl-E'-Center alle aus TDDS-Studien stammenden Kriterien und wird daher als der wahrscheinlichste für BTI verantwortliche Defektkandidat betrachtet.