Physikalische Modellierung von Hot-Carrier Degradation

Trotz aufwändigster Herstellungsverfahren und zeit- und kostenintensiver Qualitätssicherungsmaßnahmen ist die Lebensdauer moderner Halbleiterbauelemente beschränkt, unter anderem auf Grund der Alterung im Betrieb. Einer der wichtigsten Alterungsmechanismen ist die Degradation aufgrund von heißen Ladungsträgern, die sogenannte "Hot-Carrier Degradation" (HCD). Obwohl dieses Phänomen seit vielen Jahrzehnten bekannt ist, gibt es nach wie vor kein Mittel dagegen. Dieser Alterungsmechanismus betrifft nicht nur ultra-kleine CMOS Transistoren in Logikapplikationen, sondern u.a. auch Hochvoltbauelemente aus der Automobilindustrie. Es gilt als sicher, dass der Grund für die Degradation in der Erzeugung von elektrisch aktiven Defekten liegt. Allen Bemühungen zum Trotz gibt es zur Zeit kein genaues Modell, welches wenigstens die Vorhersage der Degradation erlauben würde. Auch wenn so ein Modell keine Vermeidung von HCD ermöglichen würde, so könnte es doch zur Optimierung der Bauelemente herangezogen werden. Auf Grund der Wichtigkeit des Problems wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von HCD Modellen entwickelt. Diese Modelle basieren jedoch oft auf empirischen Annahmen, welche einen beschränkten und kaum abschätzbaren Gültigkeitsbereich haben. Dies liegt einerseits an der Komplexität des Problems und andererseits daran, dass die physikalischen Phänomene, die zur Degradation führen, noch nicht hinreichend verstanden sind. So erscheint es nicht ausreichend zu sein, die eigentliche Defekterzeugung zu modellieren. Vielmehr muss sowohl die stochastische Energiezunahme einzelner Ladungsträger, welche dadurch "heiß" werden, als auch der Einfluss der elektrisch aktiven Defekte auf das Bauelementverhalten korrekt erfasst werden. Da die existierenden Modelle die Vielschichtigkeit des Phänomens nicht korrekt berücksichtigen bzw. oft auf groben Approximationen beruhen, ist ihre Gültigkeit limitiert. Das Ziel dieses Projektes ist es nun, ein umfassendes physikalisches Modell für HCD zu entwickeln. Nach dem derzeitigen Stand der Forschung erscheint die korrekte Erfassung folgender Mechanismen essentiell: Erstens muss der mikroskopische Prozess, welcher zur Defekterzeugung führt, besser verstanden und modelliert werden. Zweitens muss die stochastische Verteilung der kinetischen Energie der einzelnen Ladungsträger über eine genaue Lösung der Boltzmann`schen Transportgleichung berechnet werden. Abschließend muss der Einfluss der erzeugten Defekte auf das Bauelementverhalten genau modelliert werden, da sowohl die genaue Position als auch der Ladungszustand des Defektes essentiell ist. All diese Mechanismen werden in unserem neuen Modell selbstkonsistent erfasst werden. Um die Gültigkeit des Modells sicher zu stellen, werden experimentelle Daten einer großen Anzahl von Technologien, von ultra-kurzen bis zu Hochvolttransistoren mit komplizierter Geometrie, in die Untersuchungen einbezogen. Die Ergebnisse dieses Projektes werden neben wissenschaftlichen Publikationen über die Softwarepakete unseres Institutes der Gemeinschaft zur Verfügung gestellt.

Die Zuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel die der omnipräsenten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), ist die Basis für eine ausfallsichere Funktionalität von elektronischen Geräten. In diesem Zusammenhang sieht die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), welche eine Prognose über die zukünftige Entwicklung der Halbleitertechnik darstellt, Mechanismen, die die Zuverlässigkeit mindern, als größte Herausforderung. Dabei wird der Degradierungsprozess der hot-carrier degradation (HCD, Degradation durch hochenergetische/heiße Ladungsträger) besonders hervorgehoben, da er auf Grund der ständigen Verkleinerung von MOSFETs und der damit verbundenen Erhöhung der elektrischen Feldstärken an Bedeutung gewonnen hat. Um sich dieser Herausforderung stellen zu können, müssen die physikalischen Ursachen für HCD verstanden und akkurat beschrieben werden. Nur so ist die Weiterentwicklung der Mikro- bzw. Nanoelektronik sichergestellt. Das im Rahmen dieses Projektes entwickelte und validierte physikalische Modell für HCD verknüpft drei wesentliche Aspekte, welche mit HCD in Verbindung gebracht werden: eine sorgfältige Beschreibung des Ladungsträgertransportes, eine mikroskopische Darstellung der Defektgenerierung und die Modellierung des degradierenden MOSFETs mit der Zeit. Die Grundannahme ist, dass Dissoziation von Silizium-Wasserstoff-Bindungen im Materialübergang zwischen Bulk und Oxid die Hauptursache für HCD ist. In den Dissoziationsprozess einer Bindung können ein einzelner oder mehrere Ladungsträger mit ausreichend hohen Energien involviert sein. Die dazugehörigen Wahrscheinlichkeiten werden mittels der Verteilungsfunktion der Ladungsenergien modelliert. Diese wird durch Lösung der Boltzmannschen Transportgleichung für eine bestimmte MOSFET Architektur unter bestimmten Stressspannungen (Spannungen höher als die Betriebsspannung) ermittelt. Für die Bewältigung dieser Aufgabe haben wir den auf dem Institut für Mikroelektronik entwickelte Boltzmannlöser ViennaSHE verwendet. ViennaSHE berücksichtigt sowohl die volle Bandstruktur von Silizium, als auch Streumechanismen wie Stoßionisation, Streuung an ionisierten Verunreinigungen, Elektron-Phonon-Wechselwirkung und Elektron-Elektron-Wechselwirkung. Das Modell wurde erfolgreich mithilfe einer umfangreichen Reihe an Messdaten validiert. Dafür wurden MOSFETs verschiedener Architekturen über einen weiten Spannungsbereich vermessen. Wir haben die Auswirkung jedes Modellbausteins auf jeden einzelnen Transistor überprüft und können daraus folgende, teilweise unerwartete, Schlüsse ziehen. Entgegen des bisherigen Verständnisses, kann die Dissoziation einer Silizium-Wasserstoff-Bindung durch mehrere Ladungsträger auch in Hochspannungstransistoren eine wesentliche Rolle spielen während die Dissoziation verursacht durch einzelne Ladungsträger in MOSFETs mit Geometrien im Nanometer-Bereich den dominierenden Beitrag leisten kann. Eine ebenfalls neue Erkenntnis ist, dass die Elektron-Elektron-Wechselwirkung auch in MOSFETs mit langen Kanälen (Kanallänge größer als 100nm) zu HCD beiträgt. Des Weiteren zeigt das Temperaturverhalten, dass bei höheren Temperaturen HCD auch in MOSFETs mit kurzen Längen wenig ausgeprägt ist. Das Temperaturverhalten von HCD wird daher durch eine Kombination aus Stressspannungen und Transistorarchitektur bestimmt.