Comprehensive Physical Modeling of Hot-Carrier Induced Degradation

Although degradation induced by hot-carriers was first reported in the 1970s, a remedy against it is still missing.  As a result, transistors of practically every technology node suffer from hot-carrier degradation (HCD).  Device aging under hot-carrier stress occurs both in the case of scaled metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) employed in logic applications as well as in the case of high-voltage transistors, used e.g. in automotive applications.  HCD drastically affects the device life-time and a reliable model capable of accurate predictions is of great importance.  Such a model would be expected to allow for a comprehensive description of the degradation impact on device performance and provide recommendations for device development engineers on how to improve transistor immunity to HCD.  As a general result, investigations of hot-carrier degradation should drastically improve the quality of commercial devices.

Notwithstanding the fact that a substantial number of HCD modeling approaches exists, these approaches often do not capture the physics behind hot-carrier degradation and rely on some empirical considerations.  In general, the physical picture of this degradation mode is still not fully understood and thus cannot yet serve as a basis for a comprehensive model.  Moreover, due to the overall complexity, modeling of HCD not only requires a correct description of the defect build-up kinetics during stress.  The information on the driving force of defect generation and on the damage impact on the device performance are also of great importance.  As a result, the existing physics-based models of HCD have a rather limited applicability because they do not consolidate all these aspects within a same framework.

The main goal of this project is to develop a comprehensive physics-based framework for hot-carrier degradation modeling.  We conditionally separate the matter into three main aspects.  First, the microscopic mechanisms for defect generation will be investigated and modeled.  Second, since the degradation is triggered by energy deposited by carriers, the model has to essentially include an accurate carrier transport module providing information on how hot carriers are.  Finally, the effect of the produced damage on the device characteristics has to be properly modeled.  Our model will integrate all these aspects within a single framework, thereby completing the chain between the microscopic and device simulation levels.  Investigations will be carried out on a wide range of state-of-the-art devices fabricated on various technologies, including ultra-scaled modern MOSFETs, long-channel transistors and high-voltage devices with a complicated architecture.  The results obtained within the project will be disseminated to the scientific community and the model will be implemented into and made available through the software release channels of our Institute.

Trotz aufwändigster Herstellungsverfahren und zeit- und kostenintensiven Qualitätssicherungsmaßnahmen ist die Lebensdauer moderner Halbleiterbauelemente beschränkt, unter anderem auf Grund der Alterung im Betrieb. Einer der wichtigsten Alterungsmechanismen ist die Degradation aufgrund von heißen Ladungsträgern, die sogenannte "Hot-Carrier Degradation" (HCD).  Obwohl dieses Phänomen seit vielen Jahrzehnten bekannt ist, gibt es nach wie vor kein Mittel dagegen. Dieser Alterungsmechanismus betrifft nicht nur ultra-kleine CMOS Transistoren in Logikapplikationen sondern u.a. auch Hochvoltbauelemente aus der Automobilindustrie.  Es gilt als sicher, dass der Grund für die Degradation in der Erzeugung von elektrisch aktiven Defekten liegt. Allen Bemühungen zum Trotz gibt es zur Zeit kein genaues Modell, welches wenigstens die Vorhersage der Degradation erlauben würde.  Auch wenn so ein Modell keine Vermeidung von HCD ermöglichen würde, so könnte es doch zur Optimierung der Bauelementen herangezogen werden.

Auf Grund der Wichtigkeit des Problems wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von HCD Modellen entwickelt.  Diese Modelle basieren jedoch oft auf empirischen Annahmen, welche einen beschränkten und kaum abschätzbaren Gültigkeitsbereich haben.  Dies liegt einerseits an der Komplexität des Problems und andererseits daran, dass die physikalischen Phänomene die zur Degradation führen noch nicht hinreichend verstanden sind.  So erscheint es nicht ausreichend zu sein, die eigentliche Defekterzeugung zu modellieren. Vielmehr muss sowohl die stochastische Energiezunahme einzelner Ladungsträger, welche dadurch "heiß" werden, als auch der Einfluss der elektrisch aktiven Defekte auf das Bauelementverhalten korrekt erfasst werden. Da die existierenden Modelle die Vielschichtigkeit des Phänomens nicht korrekt berücksichtigen bzw. oft auf groben Approximationen beruhen, ist ihre Gültigkeit limitiert.

Das Ziel dieses Projektes ist es nun, ein umfassendes physikalisches Modell für HCD zu entwickeln.  Nach dem derzeitigen Stand der Forschung erscheint die korrekte Erfassung folgender Mechanismen essentiell: Erstens muss der mikroskopische Prozess, welcher zur Defekterzeugung führt, besser verstanden und modelliert werden. Zweitens muss die stochastische Verteilung der kinetischen Energie der einzelnen Ladungsträger über eine genaue Lösung der Boltzmann´schen Transportgleichung berechnet werden.  Abschließend muss der Einfluss der erzeugten Defekte auf das Bauelementverhalten genau modelliert werden, da sowohl die genaue Position als auch der Ladungszustand des Defektes essentiell ist. All diese Mechanismen werden in unserem neuen Modell selbstkonsistent erfasst werden.  Um die Gültigkeit des Modells sicher zu stellen werden experimentelle Daten einer großen Anzahl von Technologien, von ultra-kurzen bis zu Hochvolttransistoren mit komplizierter Geometrie, in die Untersuchungen einbezogen.  Die Ergebnisse dieses Projektes werden neben wissenschaftlichen Publikationen über die Softwarepakete unseres Institutes der Gemeinschaft zur Verfügung gestellt.