1 Kurzfassung

Die komplementäre Metall-Oxid-Halbleitertechnologie (CMOS) ist jene Basistechnologie, welche in den meisten elektronischen Geräte des Alltags Anwendung findet. Um die Leistungsfähigkeit der Bauelemente weiter zu erhöhen, werden die in der CMOS Technologie eingesetzten MOS Feldeffekttransistoren (MOSFET) stetig weiter verbessert. Im speziellen konnten durch die Verkleinerung der Bauteilgröße der MOSFETs bis in den Nanometerbereich die Schaltfrequenzen deutlich erhöht werden, jedoch sind mit dieser Optimierung auch ernstzunehmende Zuverlässigkeitsprobleme zu tage getreten. Das ist Motivation für viele Forscher weltweit, welche die Zuverlässigkeit solcher Bauelemente intensiv studieren.

Der bekannteste Effekt, welcher die Leistungsfähigkeit von Transistoren verringert und somit ernsthafte Auswirkungen auf die Lebensdauer hat ist bekannt unter dem Namen Bias Temperature Instabilities (BTI) bekannt. In diesem Zusammenhang lässt sich BTI als eine Verschiebung der Schwellspannung beobachten. Die dafür liegt in Lade- und Entladevorgängen von einzelnen Defekten, welche sich an der Halbleiter/Oxid Grenzfläche oder im Dielektrikum befinden. Während der letzten Jahre hat die Modellierung von BTI in großen Transistoren viel Aufmerksamkeit erhalten. Der große Nachteil der Analyse von großen Transistoren ist jedoch, dass aufgrund der Vielzahl von Defekten, nur deren durchschnittlicher Einfluss auf die Verschiebung der Schwellspannung gemessen werden kann. Im Gegenteil dazu können in nur wenigen Nanometer kleinen Transistoren die Lade- und Entladevorgänge der einzelnen Defekten genauer studiert werden. Somit wird ein exakter Einblick in die Physik der Lade- und Entladevorgänge einzelner Defekte gewährt. Um eben solche Lade- und Entladevorgänge von einzelnen Defekten genau zu erforschen, wurde die sogenannte Time-Dependent Defect Spectroscopy (TDDS) entwickelt, welche in dieser Arbeit genau diskutiert wird. Um die spannungs- und temperaturabhängigen Lade- und Entladevorgänge einzelner Defekte zu modellieren, wird in weiterer Folge das sogenannte vier-Zustands non-radiative-multiphonon (NMP) Modell verwendet.

Obwohl die TDDS bisher schon sehr erfolgreich angewandt wurde um Lade- und Entladevorgänge einzelner Defekte in Transistoren mit SiON als Dielektrikum zu erforschen, gab es zu Beginn dieser Arbeit kein Messgerät welches allen Anforderungen der TDDS gerecht wird. In dieser Arbeit wird eine neues Messgerät, nämlich das TDDS Messinstrument (TMI), entwickelt und präsentiert. Das TMI ist eine Kombination aus programmierbaren Spannungssignalgeneratoren, sowie Messeinheiten welche es ermöglichen den Drain-Sourcestrom sowie den Gatestrom der Transistoren mit Strommessauflösungen im Picoamperebereich zu erfassen. Weiteres ermöglicht das TMI hohe Abtastraten für Strommessauflösungen im Picoamperebereich. Mit dem TMI können die Lade- und Entladevorgänge von einzelnen Defekten in n-Kanal und p-Kanal MOSFETs mit SiO oder SiON Dielektrika, aber auch in MOSFETs mit sogenannten high-k Dielektrika gemessen werden. Um die Messdaten zu analysieren wird ein komplexer Stufendetektionsalgorithmus verwendet. Dieser ermöglicht es äquidistant und nicht-äquidistant abgetastete Messdaten, wie sie bei TDDS auftreten, zu analysieren.

Unter Einsatz des TMIs wurden einzelne Defekte im Zusammenhang mit positive BTI (PBTI) in nMOSFETs das erste Mal analysiert. Ähnlich zu negative BTI (NBTI) in pMOSFETs, wurden einzelne Defekte mit spannungsabhängigen sowie spannungsunabhängigen Emissionszeiten gefunden. Diese komplexen, von der Gatespannung abhängigen, Lade- und Entladezeiten können unter Anwendung des vier-Zustand NMP Modells erklärt werden. Als nächstes wurden einzelne Defekte in SiGe Transistoren untersucht. Mit auf unsere Messdaten kalibrierten detaillierten TCAD Simulationen, welche das vier-Zustands NMP Modell anwenden, zeigen wir, dass die Lebensdauer von SiGe Transistoren jene von herkömmlichen Si pMOSFETs bei weitem übersteigt. Dies unterstreicht die außergewöhnliche Zuverlässigkeit der SiGe Transistoren in Bezug auf NBTI. Anschließend wird noch eine Methode präsentiert, um Defekte, welche eine sogenannten permanente Verschiebung der Schwellenspannung verursachen zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass obwohl null Volt an den vier Anschlüssen des MOSFETs angelegt sind, eine beträchtliche Anzahl von Defekten in SiON pMOSFETs geladen wird. Zu guter Letzt wird das TMI eingesetzt um ein Transistorarray zu steuern. Hierbei können mehr als 52000 MOSFETs analysiert, und somit Daten für statistische Aussagen gesammelt werden.

Zusammengefasst wurde mit der TMI ein leistungsfähiges Messsystem entwickelt, welches es ermöglicht, die Zuverlässigkeit von Transistoren in Bezug auf BTI und der sogenannten hot carrier Degradation in wenigen Nanometer kleinen sowie vielen Mikrometer großen Transistoren zu erforschen. In Kombination mit computergesteuerten Öfen oder Waferprobern stellt die TMI ein hochmodernes Messinstrument zur Charakterisierung von Transistoren dar.