Riassunto analitico
L’obiettivo di questa tesi è analizzare a livello microscopico i meccanismi di degradazione dei dielettrici che portano al breakdown, concentrandoci sui dielettrici SiO2 e HfO2. La degradazione del dielettrico è un fenomeno che compromette il funzionamento e l’affidabilità dei dispositivi. Applicando un campo elettrico al dispositivo, alcune cariche possono attraversare il dielettrico per tunneling, favorendo la creazione di nuovi difetti che agevolano il passaggio di altre cariche fino a portando il dispositivo alla rottura (breakdown). Per descrivere questo processo, il modello più utilizzato in letteratura è il Thermochemical Model, il quale descrive la probabilità di rottura dei legami utilizzando due parametri macroscopici: l’energia di attivazione Ea, necessaria per rompere i legami in assenza di campo, ed il bond polarization factor b, che descrive come i legami siano indeboliti dal campo elettrico. Il Thermochemical Model però non descrive a livello microscopico il meccanismo di breakdown. Recentemente sono stati proposti modelli più avanzati partendo dall’idea che la rottura di un legame sia facilitata dalla presenza di elettroni, provando così a dare una spiegazione più dettagliata dei processi fisici coinvolti nella rottura dei legami. Nel caso dell’SiO2, gli elettroni possono essere intrappolati nei pressi dei legami O-Si-O molto ampi, indebolendo i legami Si-O vicini che si rompono, creando una vacanza e formando legami Si-Si deboli con un’energia di rottura più bassa e quindi più facili da rompere, dando inizio al meccanismo di breakdown. Nel caso dell’HfO2 invece, gli elettroni sono necessari per neutralizzare la carica presente nelle vacanze di ossigeno, eliminando l’attrazione coulombica con gli ioni di ossigeno e creando un difetto stabile. I valori di Ea calcolati con i nuovi modelli sono più bassi rispetto a quelli estratti da dati sperimentali usando il thermochemical model. Con questo lavoro di tesi si vuole capire se tali modelli possono effettivamente descrivere il processo di breakdown e riprodurre i dati sperimentali. Per quanto riguarda l’SiO2, è stato svolta una ricerca approfondita di dati sperimentali, dai quali sono stati estratti i valori di TDDB, del campo elettrico e dell’energia Eaeff, ottenendo i valori di Ea e b. I dati sono stati inseriti nel simulatore, ricreando il processo descritto dal modello avanzato per capire se fosse grado di riprodurre i dati sperimentali. Partendo da un dispositivo MIM con un difetto multistato al centro dell’ossido in grado di intrappolare fino a due elettroni, sono stati ricavati i rate di rottura dei legami del modello avanzato (Gs) e del thermochemical model (Gf), variando i parametri dei difetti (energie Eth ed Erel) per ottenere il miglior accordo con i dati sperimentali. In seguito è stato eseguito uno studio di sensibilità per comprendere la sensibilità dei risultati ottenuti rispetto ai parametri del modello utilizzato. La stessa metodologia è stata utilizzata per l’HfO2 partendo da valori di Ea e b ottenuti dai calcoli ab-initio, sempre allo scopo di verificare se il modello avanzato ci permette di riprodurre i dati sperimentali. Variando i parametri dei difetti (Eth e Erel) si è ottenuto il miglior accordo con i dati sperimentali. In entrambi i casi, i risultati mostrano che il simulatore riesce a riprodurre i dati sperimentali, dimostrando che il modello proposto è in grado di descrivere il breakdown. In seguito è stato eseguito uno studio di sensibilità per comprendere la sensibilità dei risultati ottenuti rispetto ai parametri del modello utilizzato. I risultati ottenuti ci permettono di affermare che i modelli avanzati possono essere considerati validi per descrivere microscopicamente il meccanismo di breakdown, in quanto i dati estratti dal Thermochemical Model con McPherson ed i dati estratti dalle simulazioni utilizzando i valori ottenuti ab-initio hanno andamenti del tutto compatibili.
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Abstract
With this investigation we wont to analyse the microscopic mechanisms of oxide dielectric degradation that leads to breakdown, with a focus on SiO2 and HfO2 dielectrics.The oxide degradation process is a phenomenon that compromise the device operation and reliability. Appling an electric field to the device, some carriers can pass through the dielectric (tunneling) generating new defects and facilitate the charge transfer until breaking the devices (breakdown).In order to describe this process the most used model in literature is the Thermochemical Model that describes the bonds breakage probability with microscopic parameters: the activation energy Ea, that break the bonds in the absence of field, and the bond polarization factor b, that describes how the field weak the bonds.The thermochemical model allow to obtain macroscopic information about the breaking bonds process, but cannot describe the breakdown mechanism at microscopic level. For this reason it is necessary to study a more accurated model that is able to describe the complex breakdown mechanism.The Advanced degradation models are introduced strating from the idea that the bonds breaking is simplified from the presence of electrons, trying to explain in a more detalied way the bonds breaking process.In the case of SiO2 electrons may be trapped near the wide O-Si-O bonds, weakening and breake the Si-O nearest bonds forming a Si-Si weak bonds with a low breaking energy easy to break, creating defects leading to breakdown.Instead, in the case of HfO2 electrons are necessary in order to neutralize the charge within the oxygen vacancy removing the coulombic attraction with the oxygen ions and creating a stable defect. The Ea values obtained with the new ab-initio models are low compared to the data extract from the thermochemical model. With this work we wont to uderstand if this models can describe the breakdown process and reproduce the experimental data.For the SiO2 we have done a research of experimental data from literature, from which TDDB, electric field and Eaeff are extracted, obtaining Ea and b.These data are insert into the simulator recreating the described advanced model in order to understand if is able to reproduce experimental data. Starting from a MIM device with a multistate defect in the middle of the dielectric able to trap up to two electrons, we have obtained the bonds breaking rate (Gs) of the advanced model and of the thermochemical model (Gf). Finally we change the parameters of defects (Eth thermal energy and Erel relaxation energy) in order to have the best agreement with experimental data.We have also done a study of sensitivity in order to understand the sensitivity of the simulated results compared to the model parameter. Starting from Ea and b values obtained from ab-initio calculations, tha same analisys is done for HfO2, with b=0 initially. Also in this case, the aim is to verify if the advanced model can reproduce the experimental data described by thermochemical model.Varying the parameters of the defects (Eth and Erel) the best agreement with the experimental data is obtained and results show that the simulator can reproduce the experimental data.Finally we have done a study of sensitivity in order to understand the sensitivity of the simulated results compared to the model parameter.The results tell us that the Advanced degradation models can be considered valid to describe the microscopic mechanism of breakdown, because values extracted from the thermochemical model (MacPherson) and the data extractd from simulations using ab-initio values have the same behaviour and are compatible.
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