Microscopic Modeling of the Negative Bias Temperature Instability

Following the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), modern metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors have been shrunk to scales where even a single charge trapped in their dielectric noticeably alters the transistor parameters, such as the threshold voltage. These charge trapping events are often reversible but can also lead to permanent degradation.  The fluctuations in the device behavior resulting from such charge capture processes pose serious reliability questions for device design and hence have aroused a great deal of industrial interest. Also, from the scientific side, this issue has been extensively studied for many decades; nonetheless, a convincing explanation that bridges the gap between recorded data sets and the predictions from physics-based models is often still missing.
A particular example where charge trapping in the oxide is crucial is the negative bias temperature instability (NBTI).  We have recently suggested a two-stage model (TSM) which can successfully explain a large number of experimental data sets.  However, although the model is based on defect properties published in literature, like the cyclic charging behavior of E' centers (oxygen vacanies) and the creation of Pb centers (interface states) via E' centers, the actual association of defect properties in the TSM with the properties of E' and Pb centers prompts many questions which we will try to answer in this project.
In the TSM defects can be in one of three states with each of them linked to a certain atomic configuration and charge state. The probability for a transition between these states is governed by their defect levels as well as the separating thermal barriers for atomic movement. During the last couple of years, ab initio calculations have been extensively used to find answers to similar questions.  Especially density functional theory calculations with the emergence of hybrid functionals have been established as a well suited tool for the assessment of the required defect properties.  In literature, possible defect candidates with suitable models of their atomistic configuration have been proposed and related to results obtained by measurement techniques such as electron spin resonance and optical absorption.  So far, however, none of these studies have been able to convincingly link certain defects to the rich experimental data sets which are available for NBTI.
In this project we will investigate possible defect configurations which are compatible with the experimentally observed NBTI properties.  Using extensive ab initio calculations, the TSM will be refined and its parameters will be either calculated or their possible range narrowed down.  The refined TSM model will be implemented into a Schrödinger-Poisson solver for the evaluation against the large body of experimental data available.  In order to address state-of-the-art device designs, investigations will be carried out for nitrided oxides, modern high-k dielectrics, and the frequently observed silicon dioxide interlayers.  Finally, a simulation tool based on the refined TSM will be made available to a wider public using the distribution channels of the Institute for Microelectronics.

Wie in der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) dargelegt, werden moderne Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Transistoren immer weiter verkleinert und bereits mit dermaßen kleinen Abmessungen hergestellt, dass das Einfangen eines einzelnen Ladungsträgers im Oxid des Transistors bereits eine signifikante Modifikation der Bauelementparameter hervorruft.  Diese Einfangereignisse sind oft reversibel, sie können jedoch auch zu einer permanenten Degradation der Bauelemente führen.  Die aus diesem Ladungseinfang resultierenden Fluktuationen im Bauelementverhalten führen dazu, dass Zuverlässigkeitsfragen aus einem neuen Blickwinkel betrachtet werden müssen.  Dementsprechend ist auch das Interesse der Industrie an diesen Prozessen immens gestiegen, da zukünftige Bauelementgenerationen auf diese Prozesse Rücksicht nehmen müssen.  Auch aus wissenschaftlicher Sicht sind diese Prozesse von höchstem Interesse und werden bereits seit Jahrzehnten intensiv erforscht.  Trotz all dieser Bemühungen ist es jedoch nach wie vor nicht möglich, die zahlreichen zur Verfügung stehenden experimentellen Daten mit physikalischen Modellen vollständig zu erklären.
NBTI (negative bias temperature instability) ist ein besonders interessantes Beispiel, in welchem der Ladungseinfang im Oxid von signifikanter Bedeutung ist. Das von uns kürzlich entwickelte Two-Stage Modell (TSM) ist ein physikalisches Modell, welches bereits einen Großteil der experimentellen Daten erklären kann. Obwohl das Modell auf zahlreichen in der Fachliteratur veröffentlichen Beobachtungen beruht, wie zum Beispiel die zyklische Umladbarkeit der E' Zentren (Sauerstoffvakanzen) als auch die Erzeugung von Pb Zentren (Grenzflächenzustände) durch Interaktion mit E' Zentren, wirft die Zuordnung dieser Beobachtungen zu NBTI und dem TSM doch zahlreiche Fragen auf, welche wir in diesem Projekt zu beantworten suchen.
Eine fundamentale Eigenschaft der Defekte des TSM ist es, dass sie in drei unterschiedlichen atomaren Konfigurationen vorliegen können, wobei sich auch der Ladungszustand unterscheidet. Die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen diesen Zuständen hängen substantiell von den energetischen Defektniveaus als auch den thermischen Barrieren ab, welche derzeit nicht genau bekannt sind.  In den letzten Jahren wurden so genannte ab initio Berechnungen vermehrt zur Klärung ähnlicher Fragestellungen herangezogen. Im Besonderen hat sich die Dichtefunktionalstheorie mit hybriden Funktionalen bei der Berechnung von Defekteigenschaften bewährt. In der Literatur wurden bereits einige mögliche Defekte in typischen MOS Materialsystemen vorgeschlagen und zum Beispiel mittels Elektronenspinresonanz- und optischen Absorptionsmessungen evaluiert. Jedoch war es bis jetzt nicht überzeugend möglich, bestimmte Defekte den experimentell beobachtbaren NBTI Daten eindeutig zuzuordnen. Eine genaue Kenntnis der mikroskopischen Defektkonfiguration ist jedoch unbedingt erforderlich um das Auftreten dieser Defekte schlussendlich vermeiden zu können.
Dieses Projekt widmet sich nun der Untersuchung jener möglichen Defektkonfigurationen, welche zu den experimentellen NBTI Beobachtungen kompatibel sind. Ausführliche ab initio Berechnungen werden dazu verwendet, um das TSM zu verfeinern und seine Parameter entweder abzuschätzen oder zumindest in ihrem Gültigkeitsbereich einzuschränken. Das verfeinerte TSM wird in einen Schrödinger-Poisson Löser implementiert und anhand des bereits verfügbaren großen Datensatzes evaluiert. Da im Rahmen des Projektes moderne Halbleitertechnologien evaluiert werden, werden die Untersuchungen sowohl für nitridierte als auch high-k Oxide durchgeführt, wobei auch die dünne Zwischenoxidschicht betrachtet werden wird. Schlussendlich wird ein Simulationswerkzeug basierend  auf dem verbesserten TSM über die üblichen Veröffentlichungswege des Instituts für Mikroelektronik einer größeren Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.