Christian Doppler Laboratory for Single-Defect Spectroscopy in Semiconductor Devices

Metal-oxide-semiconductor (MOS) technology stands at the heart of modern electronics. Despite the numerous improvements introduced during the past 60 years, MOS transistors still suffer from imperfections at the atomic level, seriously affecting their performance and lifetime. While most devices are built using silicon substrates, emerging wide-bandgap materials systems such as silicon-carbide (SiC) have shown a lot of promise particularly for energy-efficient and thus “green” high-power applications. However, these alternative material systems exhibit a much higher density of electrically active defects compared to Si devices, and thus further improvement would considerably increase their commercial competitiveness.

During the last decades a considerable amount of effort has been put into the characterization and modeling of these electrically active defects in various material systems, as they are still not fully understood.

Typically, these measurements were conducted on large-area devices, which contain a vast number of defects basically acting simultaneously, thereby obscuring important details of their behavior. By employing nanoscale devices, which contain only a handful of defects, the impact of single defects can be clearly discerned, allowing for a much more detailed characterization. For this purpose, we have recently developed the versatile time-dependent defect spectroscopy (TDDS) and revealed numerous intricate and surprising features. However, as ultra-small devices are not readily available for all technologies, we will employ a zoom and scan mechanism via additional pn-junctions perpendicular to the channel of the MOS transistors.

By suitably biasing these pn-junctions, the width and position of the active channel can be controlled down to the nanometer regime, thereby enabling single-defect spectroscopy (SDS) on large-area devices.

As commercially available experimental equipment has shown a number of deficiencies when applied to TDDS, the PI has developed an in-house transistor defect probing instrument (TDPI), especially dedicated to this task. This project will be drawing on the many years of experience of the PI in the development of measuring instruments and analysis software and expand the tools to be suitable for the unique zoom and scan mechanism. Once the research prototypes are available, they will be made available to industrial partners to collect the measurement data directly during their production process. In addition to the experimental challenges, the physical modeling and interpretation of experimental data is another formidable challenge. Our recently developed defect models will be extended to describe low-frequency

noise in silicon technologies as well as general defect-related issues in SiC technologies. This will be performed by linking first-principles simulations with computationally more efficient TCAD simulations, followed by rigorous experimental validation. Most importantly, as both technologies employ SiO2 as insulating material a consistent explanation of these two important cases will be a primary requirement.

In summary, predictive defect models will be developed using industrially relevant samples provided by ams and Infineon. Then, prototype model implementations will be made in the professional TCAD environment provided by GTS. The new models and tools will significantly go beyond the state-of-the-art and will be used by ams and Infineon to better understand the impact of various processing steps on the device performance. As a major benefit these models will help to improve their technologies, thereby providing a unique opportunity to enhance product quality.

Die Metall-Oxid-Halbleitertechnolgie (MOS) steht gegenwärtig im Mittelpunkt moderner elektronischer Anwendungen. Ungeachtet der unzähligen technologischen Verbesserungen während der letzten 60 Jahre, sind in MOS Transistoren noch immer Fehlstellen in der Atomstruktur nach wie vor problematisch, da sich diese auf die Leistungsfähigkeit sowie auf die Lebensdauer nachteilig auswirken. Während die meisten Transistoren auf Silizium basieren, weisen Materialsysteme mit einer großen Bandlücke, wie zum Beispiel SiC, hervorragende Eigenschaften für den Einsatz in energieeffizienten Hochspannungsanwendungen auf. Diese Transistoren haben jedoch eine weitaus größere Defektdichte als herkömmliche Si Transistoren.

Während des letzten Jahrzehntes hat die Charakterisierung und Modellierung solcher elektrisch aktiven Defekte große Aufmerksamkeit erhalten, da ihre Eigenschaften noch immer nicht voll erforscht sind.

Diese Messungen werden typischerweise an großen Transistoren, welche eine Vielzahl von Defekten aufweisen, durchgeführt. Durch die große Zahl an Defekten können detaillierte Mechanismen messtechnisch nicht aufgelöst werden. Verwendet man kleine Transistoren, so wird jedoch der Einfluss eines einzelnen Defektes sichtbar, was eine sehr detaillierte Studie von Einzeldefekten ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde die zeitabhängige Defektspektroskopie (engl. time-dependent defect spectroscopy, TDDS) entwickelt, mit welcher bisher sehr viele komplexe und überraschende Eigenschaften von Defekten aufgezeigt werden konnten.

Jedoch stehen solche stark miniaturisierten Transistoren nicht für alle Technologie zur Verfügung, weshalb wir einen „Zoom und Scan“ Mechanismus, realisiert durch Implantation zusätzlicher pn-Übergänge normal zum Kanal des MOS Transistors, anwenden werden. Durch das Anlegen von geeigneten Spannungen kann die Weite sowie die Position des leitfähigen Kanales im Nanometerbereich eingestellt werden, wodurch die Einzeldefektspektroskopie auf großen Transistoren ermöglicht wird.

Da kommerzielle Messapparate eine Reihe an Defiziten aufweisen, welche nachteilig für den Einsatz der TDDS sind, wurde vom Projektleiter das Transistor Defektmessinstrument (engl. transistor defect probing instrument, TDPI) entwickelt. Um die sehr zeitaufwendigen Messungen effizienter zu gestalten und diese für die Industrie zugänglich zu machen, wird die TMI im Rahmen dieses Projekts weiterentwickelt.

Zusätzlich zu den messtechnischen Herausforderungen, stellt die physikalische Modellierung und Interpretation der Messdaten eine weitere große Herausforderung dar. Dazu werden wir unsere unlängst entwickelten Defektmodelle anwenden und erweitern um niederfrequentes Rauschen in Siliziumtechnologien sowie generelle Defekteigenschaften in der SiC Technologie zu erklären. Die Berechnungen werden mittels aufwendigen Computersimulationen durchgeführt, und konsistent mit Resultaten von atomistischen Simulationen abgeglichen. Da beiden Technologien das gleiche Oxide, nämlich SiO2, verwenden, stellt die Konsistenz der Simulationen eine Grundanforderung an unsere Modelle dar.

Die entwickelten Defektmodelle werden dabei auf Transistoren aufgebaut, welche von unseren Partner ams und Infineon zur Verfügung gestellt werden. Anschließend werden Prototypen unserer Implementierungen an GTS weitergeleitet um diese in professionelle TCAD Werkzeuge einzubauen.

Diese Modelle und Werkzeuge werden den Stand der Technik weit übertreffen und von ams und Infineon eingesetzt um ihre Produkte besser zu verstehen und weiter zu optimieren.