Untersuchung der Degradation von nanostrukturierten MOS-Bauelementen mit atomistischen Simulationen und statistischen Messungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das von der DFG geförderte Projekt untersucht das Degradationsverhalten der Feldeffekttransistoren sowohl experimentell als auch atomistisch mit Hilfe der Quantenmechanik. Da die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen sehr klein ist, umfasst der experimentelle Ansatz die Realisierung einer Matrixteststruktur zur statistischen Erhebung der weichen und harten Durchbrüche in Abhängigkeit der Temperatur und Stressspannung. Die Teststruktur wurde in einer CMOS-130 nm-Technologie mit Dielektrikadicken von unter 3 nm gefertigt und erlaubt, eine große Anzahl von 1.024 und 4096 Einzelelementen zu adressieren und zu vermessen. Unter experimentellen Bedingungen werden alle Elemente gleichzeitig und –förmig gestresst. An diskreten Zeitpunkten werden der Tunnelstrom, die Transferkennlinie und das Ausgangskennlinienfeld aller Matrixelemente gemessen, ausgewertet und die Verschiebung der MOS-Parameter durch die Stresseinwirkung bestimmt. Darüber hinaus wird durch das Ladungspumpverfahren die Defektdichte an der Phasengrenze vom Dielektrikum zum Kanal sowie teilweise im Dielektrikum über eine sehr große Anzahl von MOS-Transistoren automatisiert gemessen. In Langzeit- und Kurzzeitstresstests wurden die zeitabhängigen Wahrscheinlichkeiten für Durchbrüche ermittelt und eine Verbindung zu atomistischen Simulationen hergestellt. In einem atomistischen Ansatz wurden die Veränderungen und Schädigungen in der Bindungsstruktur sowie die Veränderung des Tunnelstroms in Abhängigkeit der lokalen Defekte berechnet. Dazu wurde das Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid modelliert und es wurden mit einem quantenchemischen Verfahren, der Dichtefunktionaltheorie, Reaktionspfade und Übergangswahrscheinlichkeiten von potenziellen Reaktionen ermittelt und ausgewertet. Zusätzlich ist mit dem Ansatz der Green’schen Funktionen der Tunnelstrom durch das Siliziumdioxid von unterschiedlichen Defekten berechnet und mit experimentellen Daten verglichen worden. Die Ladungspumpexperimente und die atomistischen Simulationen weisen darauf hin, dass die Dielektrikadefekte ausschlaggebend für einen Durchbruch sind und nur wenige davon vorhanden sein müssen, um einen Durchbruch auszulösen. Ein Modell zur zeitabhängigen Beschreibung des weichen und harten Durchbruchs von Gatedielektrika wurde erstellt. Dieses geht unmittelbar aus der Durchbruchsstatistik hervor. Da Stresstests in der Regel mit erhöhten Temperaturen und Spannungen durchgeführt wurden, sind die experimentellen Ergebnisse gerade auch bei geringem Stress sehr wichtig. Diese Arbeit leistet einen wertvollen Beitrag im Verständnis der Degradation von MOS- Bauelementen. Der Ansatz mit der Multiteststruktur ist im Gegensatz zu Einzelexperimenten von essentieller Bedeutung, da nur mit einer großen Statistik genaue Aussagen über das Stromverhalten dünner Oxide getätigt werden kann. Eine präzisere Extrapolation der Zuverlässigkeit bei Betriebsspannungen wird aufgrund der breiten Statistik ermöglicht. Des Weiteren kann die Zeit bis zu einem Durchbruch genauer abgeschätzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Design of a process-parameter independent test-structure for reliability tests", ProRISC, p. 266-269, 2006. 8. A. Domdey, K. Hafkemeyer, T. Knudsen, W. Krautschneider, "First principles study of the degradation of silicon-dioxide gate dielectrics", SAFE, p. 462-464, 2006
K. Hafkemeyer, A. Domdey, W. H. Krautschneider
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"Automated system for simultaneous large-scale stress test of ultra-thin gate dielectrics to analyse reliability", ProRISC, p. 14-17, 2007
A. Domdey, K. Hafkemeyer, D. Schroeder, W. Krautschneider
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"Simultaneous large-scale reliability analysis of ultra-thin MOS gate dielectrics using an automated test system", Adv. Radio Sci., 6, p. 205–207, 2008
A. Domdey, K. M. Hafkemeyer, W. H. Krautschneider, D. Schroeder
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"Array Test Structure for Ultra-Thin Gate Oxide Degradation Issues", IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, p. 85-90, 2009
K. M. Hafkemeyer, A. Domdey, D. Schroeder, W. H. Krautschneider
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"Integrated Array Test Structure for Gate Oxide Integrity Statistics and Charge Pumping Measurements", SAFE, 2009
K. M. Hafkemeyer, A. Domdey, D. Schroeder, W. H. Krautschneider
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"Reliability analysis of gate dielectrics by applying array test structures and automated test systems", NORCHIP, 2009
A. Domdey, K.M. Hafkemeyer, D. Schroeder, W.H. Krautschneider
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"Reliability Analysis of MOSFET Thin Gate Dielectrics by Applying Test Structures and Automated Test Systems", SAFE, 2009
A. Domdey, K. Hafkemeyer, W. Krautschneider
