Abstract

Power semiconductor switches are utilized in cars, trains, the power supply system, industrial automation and many other fields. They allow to electrically connect and disconnect loads from sources despite large supply currents. The actual switch is nowadays a metal oxide semiconductor (MOS) field effect transistor (MOSFET). These devices conduct the load current directly at the interface between the oxide and the semiconductor.

Since the application of these devices inherently requires steady functionality, which can naturally only be guaranteed for finite time durations, investigations towards the reliability of such devices is important. Reliability is the probability for the operation of a product without failure for a given time under specified conditions. Semiconductor manufacturers try to increase the probability for the full operation of the product to the highest possible level. However, reliable product operation can only be guaranteed up to the target lifetime of a device which is about ten years in the automotive market.

Limits for the reliability of MOSFETs can result from imperfections of the materials used to manufacture the device as well as from degradation mechanisms which occur during operation. While imperfections or impurities which interfere with the device performance can usually be ruled out at the end of the production process through burn-in tests, degradation mechanisms which eventually occur after years of operation are challenging to characterize and understand. The key to reliable devices is to understand the influences which accelerate the degradation, and to use this knowledge to transfer the degradation behavior from qualifying tests to the whole lifetime period. Such lifetime projections to use conditions can be done by scaling degradation measurement results with temperature, device area, voltage or with percentile of a failure criterion. The only possibility for device manufacturers to advance the reliability of devices is then to adjust particular processing parameters during production. The impact of these adjustments are then identified with qualifying tests which reflect the long-term degradation behavior of the device to the largest possible extent.

A power MOSFET operated within the defined automotive temperature range of −40 °C to 150 °C, usually experiences only electric fields across the gate oxide which are well below the breakdown field of the gate oxide. Still, these use conditions can already lead to an instability of the threshold voltage of the MOSFET which in turn reduces the drain current and the cutoff frequency. In extreme cases, the threshold voltage might increase such that complete failure occurs. This effect is usually referred to as bias temperature instability (BTI). Compared to other degradation mechanisms which affect MOSFETs, BTI occurs close to the equilibrium condition of the device (room temperature, little bias) whereas other mechanisms as for example time dependent dielectric breakdown (TDDB) or hot carrier degradation (HCD) occur at large gate or drain bias, respectively. As a logical consequence, the BTI which occurs already at weak stress conditions is investigated in detail in this thesis before any other mechanism at harsher conditions can be studied.

One of the main results of the present work is that the occurrence of BTI is hypothesized to be due the electrical activation of initially electrically inactive point defect precursors during stress. The range of the mean activation energies of a part of the available precursors is known to be between 1.5 eV and 2.9 eV. Such rather large activation energies would need hundreds of years of continuous stress at typical BTI conditions of 100 °C to 200 °C until a measurable amount of defect precursors become activated. In this thesis, support is given for the assumption that activation energies for point defect precursors follow a very broad normal distribution, and only the low-energy tail of the distribution is activated during device operation.

Kurzfassung

Halbleiterschalter für Leistungsanwendungen haben eine breite Anwendungpalette in Personenkraftwagen, im Schienenverkehr, im Stromnetz, in der industriellen Automatisierung und in vielen anderen Bereichen. Sie ermöglichen das elektrische Verbinden und Trennen von Strom- und Spannungsquellen von ihrer Last trotz großer Versorgungsströme. Der eigentliche Schalter ist heutzutage ein Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor (englisch: MOSFET). Diese Strukturen leiten den Strom direkt an der Grenzfläche zwischen dem Oxid und dem Halbleiter.

Da die Anwendung dieser Bauteile von Natur aus eine fortwährenden Funktionalität voraussetzt, die aber klarerweise nur für einen begrenzten Zeitraum sichergestellt werden kann, sind Untersuchungen bezüglich der Zuverlässigkeit solcher Bauteile unerlässlich. Dabei ist Zuverlässigkeit die Wahrscheinlichkeit für den Betrieb eines Produkts ohne Ausfall über einen definierten Zeitraum unter definierten Bedingungen. Halbleiterhersteller versuchen die Wahrscheinlichkeit für das ordnungsgemäße Funktionieren des Produkts auf das größtmögliche Maß zu erhöhen. Tatsächlich kann der zuverlässige Betrieb des Produkts nur für eine begrenzte Ziellebensdauer garantiert werden. In der Automobilindustrie beträgt diese geplante Lebensdauer in etwa zehn Jahre.

Grenzen für die Zuverlässigkeit eines MOSFET können aus Defektstellen der Materialien die für den Aufbau des Bauteils verwendet werden resultieren, aber auch erst durch Degradationmechanismen während des Betriebs entstehen. Während Fehlstellen oder Unreinheiten, die mit dem Verhalten des Bauteils wechselwirken, noch am Ende der Prozessierung durch Frühfehlerüberprüfungen erkannt werden können, sind Degradationsmechanismen, welche erst nach Jahren der Verwendung des Bauteils auftreten können, sehr schwierig zu charakterisieren und zu untersuchen. Der Schlüssel zu zuverlässigen Bauteilen liegt nun darin, jene Einflüsse genauer zu verstehen, welche die Degradation beschleunigen und dieses Wissen zu nutzen um das Verhalten in Qualifikationstest auf die Lebensdauer des Bauteils zu übertragen. Für MOSFETs kann der Transfer der Ergebnisse einer Degradationsmessung zu Einsatzbedingungen entweder über die Temperatur, die Bauteilgröße, die Spannung oder aber auch über die statistische Häufigkeit erfolgen. Die einzige Möglichkeit für Halbleiterhersteller die Zuverlässigkeit der Bauteile weiter zu verbessern ist es, spezielle Prozesseinstellungen der Produktion zu verändern. Die Einflüsse dieser Adjustierungen werden dann mit Qualifikationstests bewertet, welche das Langzeitdegradationsverhalten des Bauteils bestmöglich abbilden.

Ein Leistungs-MOSFET betrieben im festgesetzten Temperaturbereich der Automobilindustrie zwischen −40 °C und 150 °C wird normalerweise nur mit Oxidfelder viel kleiner als die Durchbruchspannung des Oxids belastet. Trotzdem können diese Betriebsbedingungen bereits eine Instabilität der Einsatzspannung des MOSFET verursachen, die den maximalen Senkenstrom und die Grenzfrequenz des Transistors reduziert. Im Extremfall kann die Einsatzspannung auch soweit vergrößert werden, dass der Transistor überhaupt nicht mehr einschaltet. Man nennt diesen Effekt überlicherweise Spannungs-Temperatur Instabilität (englisch: bias temperature instability, BTI). Verglichen zu anderen Degradationsmechanismen welche MOSFETs beeinflussen, tritt BTI nahe am Gleichgewichtszustand des Bauteils auf (Raumtemperatur, kleine Spannung), während andere Mechanismen wie zum Beispiel der Oxiddurchbruch bei hohen Steuerelektrodenspannungen beziehungsweise Degradation durch hochenergetische Ladungsträger bei hohen Quellenspannungen auftreten. Als logische Konsequenz wird in dieser Arbeit BTI untersucht, da man zuerst jenen Mechanismus verstanden haben muss der bei Betriebsbedingungen auftritt, bevor man die Degradation unter raueren Bedingungen untersucht.

Eines der Hauptresultate der vorliegenden Arbeit ist die Untermauerung der Hypothese, dass BTI die elektrische Aktivierung von zuerst elektrisch inaktiven Präkursor-Defekten während der Belastung ist. Der Bereich der mittleren Aktivierungsenergien dieser Präkursor ist bekannt und wird mit 1.5 eV bis 2.9 eV angegeben. Mit diesen eher großen Aktivierungsenergien würde es hunderte Jahre dauern bis die Präkursor unter typischen BTI Bedingungen aktiviert werden. Die vorliegende Arbeit unterstützt die Annahme, dass die Aktivierungsenergien für die Präkursor-Defekte einer sehr breiten Normalverteilung gehorchen und dass nur der niedrigenergetische Ausläufer der Verteilung während der Betriebsdauer des Bauteils aktiviert wird.

Contents

Disclaimer

A few of the central findings of this thesis base on material which has been partly published during the work on the thesis in different forms of media like journal publications, conference proceedings and contributions to a book. See own publications list at the end of the thesis. According to the consensus of several guidelines of Austrian funding agencies and Austrian Universities regarding proper scientific work [Gam09], the ideas of these publications are re-used with explicit citation at several positions in this thesis. The thesis puts the individual topics of the publications together with unreported topics into a larger context.

Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig sowie ohne unzulässige Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die aus anderen Quellen direkt oder indirekt übernommenen Daten und Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet.

Wien, am 5. Dezember 2013   

Acknowledgments

I want to sincerely thank Tibor Grasser of the Institute of Microelectronics at Vienna University of Technology for his endless enthusiasm, very professional guidance and deep interest in the topics of my thesis. I extend my thanks to Peter Hadley of Graz University of Technology for participating in the examination committee. Furthermore, I want to express my gratitude to all colleagues I have met at KAI, Infineon Technologies AG, TU Vienna, conferences and meetings for all the interesting and inspiring discussions, kind support, enlightening help and amusing conversations. The Kompetenzzentrum für Automobil- und Industrieelektronik GmbH (german, competence center for automotive and industrial electronics limited liability company) (KAI) has provided an excellent environment and infrastructure for the work on a PhD thesis. I am in debt to the people responsible for this research institute at the interface between science and industry.

Last but not least I want to thank Kathrin, my family, friends, colleagues, partners and companions for all the great experiences, adventures and impressions I have had the pleasure to share with you during the last years.

This work was jointly funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG, Project No. ) and the Carinthian Economic Promotion Fund (KWF, contract KWF- ).