title: Microscopic modeling of NBTI in MOS transistors
Creators: name: Rzepa, Gerhard
Publisher: name: TU Wien
Year: 2013

description: Instabiles Verhalten von Transistorparametern in MOS Technologien ist seit jeher bekannt, trotzdem konnten die Ursachen dafür noch nicht vollständig geklärt werden. Durch die immer dünneren Oxidschichten in modernen Strukturen wirken sich speziell die temperatur- und gatespannungsabhängigen Instabilitäten (Bias Temperature Instabilities - BTI) immer entscheidender auf die Funktionalität und die Lebensdauer von Bauelementen aus. Die intensive Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Effekte im Zusammenhang mit BTI durch die Nonradiative Multiphonon (NMP) Theorie beschrieben werden können. Daraus wurde das NMP Four State Modell entwickelt, welches den Austausch von Ladungsträgern mit Störstellen im Oxid beschreibt. Um die komplexen BTI-Vorgänge erfassen zu können, berücksichtigt dieses Modell zwei stabile und zwei metastabile Zustände. Durch Messungen an kleinen Strukturen mittels Time Dependent Defect Spectroscopy konnte festgestellt werden, dass es Störstellen mit grundlegend unterschiedlichen Gatespannungsabhängigkeiten der Emissionszeitkonstanten gibt. Die in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen konnten dank der metastabilen Zustände des NMP Four State Modells die Temperatur- und Gatespannungsabhängigkeit verschiedener Störstellen richtig reproduzieren. Um BTI von großen Strukturen beschreiben zu können, muss eine Vielzahl von Störstellen berücksichtigt werden. Messungen lieferten Hinweise auf Störstellen, die sich nicht mehr entladen, sobald sie einen Ladungsträger eingefangen haben. Diese Störstellen werden oft mit Zuständen an der Grenzschicht zwischen Oxid und Substrat in Verbindung gebracht und können mittels eines Double Well Modells beschrieben werden. Mit diesen beiden Modellen ist eine vollständige Charakterisierung von BTI-Vorgängen großer Strukturen für verschiedene Temperaturen und Gatespannungen möglich. Um eine gute Übereinstimmung der durchgeführten Simulationen mit den Messdaten von einem pMOSFET zu erzielen, wurden die Parameter der Modelle optimiert. Die so erhaltenen Parameter wurden verwendet, um Capture/Emission Time (CET) Maps zu berechnen und ihre Form hinsichtlich Temperatur- und Gatespannungsabhängigkeit zu untersuchen. Zusätzlich wurden theoretische Betrachtungen zu CET Maps angestellt, die auf analytischen Berechnungen und Simulationen basieren. Diese Untersuchungen ermöglichten einen detaillierten Einblick in das Verhalten des NMP Four State Modells, und bestätigten, dass dieses Modell BTI-Effekte korrekt beschreibt.
description: Instabilities of transistor parameters have been observed since the beginnings of the MOS technology, but they are still not fully understood. Especially the thinning of oxide layers in modern devices has further increased the effect of the bias and temperature induced instabilities (BTI) on the functionality and lifetime of modern devices. In recent studies BTI effects were described with the help of the non-radiative multi-phonon (NMP) theory. This led to the NMP four state model, which is able to explain many effects related to BTI. This model is based on the exchange of charge carriers with oxide defects. In addition to two stable states, it considers two metastable states, which are essential to capture the complex processes involved in BTI. Measurement data obtained by time dependent defect spectroscopy on small-area devices has revealed defects with distinct bias dependence of their emission time constants. Using the metastable states of the NMP four state model, the temperature and bias dependence of the time constants of different defect types have been simulated and correctly reproduced in this work. In order to describe BTI of large-area devices, a multitude of defects have to be considered. Measurements indicated defects which do not recover once they have captured a charge. These defects are typically linked to interface states, which can be described by a double well model. With these two models, BTI of large-area devices has been studied through simulations in this thesis. The model parameters have been optimized to obtain a good match with the experimental data of pMOSFETs for different gate bias and temperatures. Based on the obtained model parameters for the defects, capture/emission time (CET) maps have been calculated and the effects of temperature and gate bias on the shape of these maps have been analyzed. Furthermore, a theoretical study of CET maps, including analytical calculations and simulations, have been conducted. These investigations provide a detailed insight into the behavior of the NMP four state model, confirming that the model correctly describes BTI effects.