Charakterisierung einzelner Defekte in Nanoscale MOSFETs

Die schnell voranschreitende Entwicklung der Halbleitertechnologie in den letzten Jahren hat zu einer Miniaturisierung der Metall-Oxid-Halbleiter Transistoren geführt, deren Dimensionen heuzutage bereits im Nanometerbereich angesiedelt sind. Derart stark miniaturisierte Transistoren weisen nur ein paar wenige, an der Oxide-Halbleiter Grenzfläche sowie im Oxid zufällig angeordnete Defekte auf. Diese statistisch verteilten Defekte bewirken eine zeitabhängige Verschiebung der Transitorcharakteristika. Obwohl dies für die Funktionsweise der Transistoren nachteilig ist, ergeben sich daraus einzigartige Möglichkeiten das physikalische und elektrische Verhalten einzelner Defekte im Detail zu untersuchen. In den vergangenen Jahren wurde am Institut eine experimentell Methode entwickelt, um einzelne Defekte in Transistoren über ihren gesamten Lebenszyklus, beginnend bei ihrer Erzeugung über die Auf- und Entladung, bis hin zu ihrem Verschwinden, studieren zu können. Defekte können in Grenzflächen- und Oxiddefekte unterteilt werden. Für beide Defekttypen variieren die mittleren Zeitkonstanten über mehrere Dekaden. Während sich die Forschung der vergangenen Jahre auf die "ausheilbare Degradation" konzentriert hat, sind die Zeitkonstanten der permanenten Degradation von Transistoren noch kaum erforscht. Interessant ist hierbei, dass sich die permanente Degradation durch Ausbacken fast vollständig ausheilen lässt. Da die Lebensdauer der Transistoren im wesentlichen von dieser permanenten Komponente bestimmt ist, liegt das Hauptziel des vorliegenden Projektes der detailierten Untersuchung eben jener permanenten Komponente, die durch Hot-Carrier oder langzeit Bias Temperature Stress hervorgerufen wird. Um ein komplettes Bild zu erhalten, werden die elektrischen und physikalischen Eigenschaften von Defekten einer Vielzahl von verschiedenen Technologien und Materialkompositionen studiert (SiO 2 , SiON und high-k Dielektrika). Für detaillierte Untersuchung der für die permanente Degradation verantwortlichen Defekte, planen wir die Time- Dependent Defect Spectroscopy unter gezielter Anwendung von Temperaturprofilen in Kombination mit definierten Spannungspulsen zu erweitern. Dadurch können während der Messung die Emissionszeiten der Defekte stark verringert und somit ihr Verhalten innerhalb eines akzeptablen Zeitfenster messtechnisch erfasst werden. Zu diesem Zweck sollen auf den Wafern integrierte Heizelemente, sogenannte Polyheater, verwendet werden, welche sehr schnelle Wechsel zwischen Heizen und Kühlen ermöglichen. Gerade für die Berechnung der Lebensdauerverteilung ist es unerläßlich, die breite statistische Verteilung der Defektparameter zu kennen. Durch den Einsatz von parallelen Messungen sollen diese möglichst genau bestimmt werden. Des Weiteren ist zu erwarten, dass die experimentelle Charakterisierung von bisher unerschlossenen Zeitkonstantenbereichen einen signifikanten Einfluss auf das Verständnis der physikalischen Prozesse, welche der Defekterzeugung und - vernichtung zu Grunde liegen, haben werden. Die gewonnenen Erkenntinisse werden es ermöglichen, die Lebensdauer der Bauteile mit bisher ungeahnter Genauigkeit vorherzusagen, wobei zu erwarten ist, dass die gewählten experimentellen Methoden einen bedeutenden Einfluss auf den aktuellen Stand der Forschung haben werden.

Die International Technology Roadmap for Semicondutors (ITRS), welche eine Prognose über Entwicklungen der Halbleitertechnologie darstellt, listet Degradationmechanismen welche die Zuverlässigkeit von Bauteilen mindern als eine der größten Herausforderungen für zukünftige Bauteile. In diesem Zusammen werden die Degradierungsprozesse Bias Temperature Instablity (BTI) und Hot-Carrier Degradation (HCD) besonders hervorgehoben. Aufgrund der ständigen Miniaturisierung von Bauteilen gewinnen beide Mechanismen immer mehr an Bedeutung und müssen somit akkurat verstanden und beschrieben werden. Obwohl in den letzten Jahren umfassend in diesem Feld geforscht wurde, gibt es immer noch ungeklärte Fragen bezüglich der Eigenschaften und des Verhaltens der Defekte die zu BTI und HCD beitragen. Des Weiteren werden Bauteile in elektrischen Schaltungen selten idealisierten BTI (hohe Gatespannung, keine Drainspannung) bzw. HCD (hohe Gate- und Drainspannung) Bedingungen ausgesetzt, welche in Untersuchungen verwendet werden um die Lebenszeit von Bauteilen abzuschätzen. Dennoch gibt es vergleichsweise wenige Forschungsstudien die sich mit der Frage beschäftigen wie sich eine Mischform der beiden Prozesse auf elektronische Bauteile auswirkt. Um daher eine realistischere Prognose bezüglich der Lebenszeit von Bauteilen zu erhalten, müssen existierende Modelle erweitert und angepasst werden. Im Zuge dieses Projekts haben wir uns daher mit der Frage beschäftigt wie sich solche Mischformen aus BTI und HCD Stressbedingungen auf einzelne Defekte im Oxid auswirken und die damit verbundenen Konsequenzen für einzelne Bauteilparameter, wie z.B. die Verschiebung der Schwellspannung. Beide Phänomene für sich sind mittlerweile einigermaßen gut verstanden und die entwickelten Modelle sind in der Lage die Charakteristika des jeweiligen Degradationsprozesses wiederzugeben. Allerdings gibt es bis jetzt keine vernünftigen physikalischen Modelle welche die Wechselwirkung der beiden Prozesse, BTI und HCD, und besonders die Auswirkung einer Drainspannung auf das Verhalten von Oxiddefekten erfassen. Die experimentellen Ergebnisse im Zuge dieses Projekts zeigen klar, dass durch das Erhöhen der Drainspannung die ausheilbare Komponente der Degradation abnimmt, zeitgleich allerdings die Gesamtdegradation des Bauteils zunimmt. Im Gegensatz zu bisherigen empirischen Annahmen, dass Defekte auf der Sourceseite des Bauteils unbeeinflusst von der angelegten Drainspannung bleiben, zeigen unsere Ergebnisse allerdings, dass eben diese Defekte ebenfalls ihre charakteristischen Eigenschaften verändern. Im Rahmen dieses Projektes haben wir dieses Verhalten erstmals systematisch experimentell untersucht und ein Modell entwickelt, welches es uns erlaubt, neue Einblicke in die Physik von Degradationmechanismen zu erhalten. Wir haben unser Modell mithilfe einer umfangreichen Reihe an Messdaten validiert und dabei gezeigt, dass es notwendig ist, auch Nichtgleichgewichtsprozesse zu berücksichtigen um das Verhalten von Oxiddefekten in elektronischen Bauteilen bei angelegter Drainspannung zu beschreiben.