Next: Contents Up: Dissertation Ivan Starkov Previous: Abstract
Transistoren fast aller Technologie-Knoten leiden unter Degradierung durch heiße Ladungsträger (HCD), die mit dem Aufbau von Defekten an oder nahe der Silizium/Siliziumdioxid-Grenzfläche verbunden ist. Dieses nachteilige Phänomen ist seit mehr als vier Jahrzehnten bekannt, seither sind zahlreiche Modellierungsversuche unternommen worden. Die Degradierung durch heiße Ladungsträger zu modellieren ist kompliziert, da diese drei verschiedene, aber stark verbundene Aspekte umfasst. Tatsächlich brechen die Ladungsträger, die mit der Si/SiO2 Grenzfläche interagieren die Si-H Bindungen, wodurch Grenzflächendefekte generiert werden. Dementsprechend müssen die mikroskopischen Mechanismen für die Generierung von Defekten richtig beschrieben werden. Die Information darüber, wie effizient diese Ladungsträger den Bindungs-Dissoziations Prozess auslösen, erfolgt durch eine gründliche Ladungsträger-Transport-Behandlung. Weiters können jene generierten Defekte Ladungsträger einfangen, wodurch die Elektrostatik des Transistors verändert wird. Darüber hinaus wirken sie als zusätzliche Streuzentren und setzen die Ladungsträgerbeweglichkeit herab. Daher ist ein weiterer wichtiger Teilvorgang in dem heißen Ladungsträger-Degradierungs-Modellierungsparadigma die Simulation der Eigenschaften von degradierten Bauelementen. Aufgrund der komplizierten Natur fehlt noch immer ein umfassendes Physikalisches Modell, daher sind die meisten bestehenden Modelle empirisch.
Die Hauptaufgabe dieser Arbeit ist es, ein Physikalisches Modell für die Degradierung durch heiße Ladungsträger vorzuschlagen, welches in der Lage ist, diese Degradierung in Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit unterschiedlichen Kanallängen unter Verwendung eines einzigen Satzes von physikalischen Parametern zu beschreiben. Der entwickelte Ansatz berücksichtigt nicht nur die Schäden, die durch Kanal-Elektronen erzeugt werden, sondern auch die Schäden durch Stoßionisation sekundär produzierter Kanal-Löcher. Obwohl der Beitrag der Löcher zu der gesamten Defektgenerierung im Vergleich zu den Elektronen kleiner ist, ist ihr Einfluss auf den linearen Transistor-Strom vergleichbar mit dem der Elektronen. Der Grund für diesen Trend sind durch Löcher erzeugte Defekte nahe dem Drain-Anschluss, wodurch das elektrische Verhalten des Bauelementes stärker beeinflusst wird.
Das Modell umfasst drei Hauptkomponenten: ein Ladungsträger-Transport-Modul, ein Modul zur Modellierung der mikroskopischen Mechanismen der Defekt-Generierung und ein Modul für die Simulation der Eigenschaften degradierter Bauelemente. Das Ladungsträger-Transport-Modul berechnet eine Reihe von Ladungsträgerenergie Verteilungsfunktionen (DF) an einer beliebigen Position in dem MOSFET für eine bestimmte Bauelemente Architektur und für bestimmte Stress/Betriebsbedingungen. Für die Berechnung der DF wird der Vollband-Monte Carlo (MC) Bauelemente Simulator MONJU eingesetzt. Anschließend wird die Information über die Ladungsträger DF verwendet, um für jeden Stress Zeitpunkt Grenzflächenzustandsdichte-Lateral-Profile zu erzeugen. Diese Profile werden dann in den Schaltungs-und Bauelementsimulator MiniMOS-NT geladen, welcher die elektrischen Charakteristiken des degradierten Bauelementes berechnet. Da die MC Methode sehr zeitaufwendig ist, wird der Ansatz verfolgt, das genaue Ladungsträgertransport-Modul durch eine vereinfachte Behandlung zu ersetzen, welches bedeutet, dass ein Vergleich zwischen den verschiedenen Implementierungen des Ladungsträgertransport Moduls des Modells durchgeführt wird. Hierfür werden Monte-Carlo, Hydrodynamische (HD) und Drift-Diffusions (DD) Ansätze für die Lösung der Boltzmann Transportgleichung angewandt. Eine Diskrepanz zwischen experimentellen Ergebnissen und Simulationen, die unter Einsatz dieses vereinfachten Ansatzes eingetreten ist, wird aufgezeigt und erklärt.
Wie bereits erwähnt, umfasst das entwickelte Physikalische Modell für HCD drei Hauptmodule. Jedes Modul basiert auf bestimmten Annahmen, die als potenzielle Fehlerquellen fungieren, und beinhaltet eine bestimmte Anzahl von anzupassenden Parametern. Mit anderen Worten, aufgrund der komplizierten Struktur des Modells, sollten mögliche Fehler durch geeignete Auswertung der Schnittstellen zwischen den Modulen überprüft werden. Obwohl eine gute Darstellung der degradierten Bauelementeeigenschaften erreicht werden könnte, wird im folgenden versucht, das mikroskopische Modell des Defektaufbaus zu überprüfen, indem man die Technik des Ladungspumpen (CP) für eine bestimmte Bauelemente Architektur anwendet und mit dem Modell vergleicht. Es ist zu betonen, dass die Algorithmen für die Extraktion von den Grenzflächenzustandsprofilen, in Abhängigkeit von der Position entlang der Bauelemente Grenzfläche aus den CP Daten, auf bestimmten Annahmen basieren und somit auch potenziell ungenau sein können. Darüber hinaus werden eine umfassende Analyse und ein Vergleich der einzelnen Extraktionstechniken, mit deren Hilfe die räumliche Verteilung der durch heiße Ladungsträger induzierten Grenzflächen- und Oxiddefekte bestimmt wird, durchgeführt. Die Vorteile und Grenzen der Charakterisierungsalgorithmen, verbessert durch ein neues einfaches, kompaktes Modell für die lokale Oxidkapazität, werden diskutiert. Es wird gezeigt, dass durch Ignorieren der räumlichen Veränderung der Oxidkapazität ein falsches Ergebnis erzeugt wird, welches zu einer mehrdeutigen Interpretation von HCD führt. Daher wird eine behutsame Gewinnung des anfänglichen Grenzflächenzustandsdichte-Profils für einen vorgestressten MOSFET vorgenommen. Die Auswirkung der bereits vorhandenen Bauelemente Grenzflächenzustände auf die nachfolgenden Grenzflächen-Defektprofile wird im Rahmen der prädiktiven HCD Modellierung aufgezeigt. Ein gründlicher Vergleich zwischen simulierten Grenzflächenzustandsprofilen und solchen, die aus CP Daten extrahiert wurden, wird durchgeführt.
Basierend auf einer rigorosen TCAD Version eines Physikalische Modells für HCD wird ein analytisches Modell, das sich in geeigneter Weise dem Träger-Beschleunigungs-Integral (AI) nähert, entwickelt. Unter Verwendung eines solchen Ansatzes ist man in der Lage, die Degradierung des linearen Transistor-Stroms zu repräsentieren. Einer der wichtigsten Vorteile dieses analytischen Ansatzes ist, dass dieser auf einem Physikalische TCAD-Modell, anstatt auf einer empirischen Anpassung zu experimentellen Daten, beruht. Das Modell stellt auch die bei relativ langen Stresszeiten beobachtete Sättigung der HCD dar. Die Flexibilität des resultierenden Ausdrucks ermöglicht es, diesen Ansatz zu verwenden, während man die Auswirkungen von schwankenden Parametern der Bauelemente Topologie auf HCD berücksichtigt. In diesem Fall führt das zeitaufwendige MC basierte Transport-Modul zu extrem hohem Rechenaufwand.