Riassunto analitico
L’elettronica è una parte inalienabile della nostra vita. Ogni giorno abbiamo a che fare con numerosi dispositivi elettronici, il cui cuore è tipicamente costituito da uno o più circuiti integrati (IC). Lo studio dell’affidabilità dei IC, e in particolare dei transistori MOS che li costituiscono, è fondamentale per poterne garantire il tempo di vita e le prestazioni richieste. Nonostante l’affidabilità dei MOS sia studiata da più di 40 anni, la rapida e continua evoluzione tecnologica la rende un problema sempre attuale. Tra i diversi problemi di affidabilità relativi ai transistori MOS, uno dei più importanti è quello del breakdown, oggetto di questa tesi. Il fenomeno riguarda la rottura del dielettrico di gate ed è descritto a livello statistico dal Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). L’obiettivo della tesi è quello di aumentare la comprensione generale del TDDB e delle sue dipendenze da temperatura, tensione e spessore del dielettrico, sia per dispositivi con SiO2 che con dielettrici high-k. Lo studio è stato effettuato tramite un analisi critica di dati sperimentali pubblicati in letteratura e simulazioni di dispositivi effettuate con il software MD Lab. Dopo aver raccolto e analizzato il maggior numero di dati sperimentali disponibili in letteratura per individuare le principali dipendenze, sono state svolte simulazioni di dispositivo mirate per comprendere meglio il fenomeno. I dati sperimentali dell’SiO2 mostrano in generale una dipendenza del TDDB dalla temperatura di tipo Arrhenius, correttamente riprodotta anche dal simulatore. La dipendenza dalla tensione è lineare, trend confermato dal simulatore. L’utilizzo del simulatore unito ad un analisi critica dei dati ha permesso di far chiarezza su alcuni studi in letteratura che riportavano un legame tra TDDB e tensione, dipendente da spessore del dielettrico e ampiezza della tensione di stress applicata. Tale fenomeno era dovuto ad un ingannevole rappresentazione dei dati in cui non si teneva correttamente in conto dell’effettiva tensione applicata al dielettrico: la dipendenza tra TDDB e tensione torna ad essere lineare riportando i dati in funzione del campo elettrico invece che della tensione. Anche lo spessore dell’ossido incide sul TDDB: nel caso dell’SiO2 la dispersione statistica del TDDB si riduce linearmente all’aumentare dello spessore, trend confermato dalle simulazioni. Per l’high-k è stato svolto lo stesso lavoro e gli andamenti per temperatura e tensione sono simili a quelli dell’SiO2. Al contrario, la dispersione statistica del TDDB non si riduce con lo spessore ma resta circa costante. L’utilizzo del simulatore ha permesso di ipotizzare che ciò sia dovuto a un breakdown controllato da una generazione correla dei difetti. In ultimo, è stato analizzato l’andamento bimodale del TDDB osservato per gli high-k, con riferimento alle principali teorie riportate in letteratura. Tramite il simulatore abbiamo cercato di capire quanto tali teorie possano essere plausibili. Questa ricerca potrebbe essere in futuro un riferimento per chi volesse indagare il tema dell’affidabilità poiché mette a disposizione un vasto numero di dati, oppure aiutare nello sviluppo del software di simulazione fornendo parametri utili per rendere i risultati sempre più attendibili.
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Abstract
Electronics is an inalienable part of our life. Every day we have to deal with many electronic devices, whose heart is typically constituted by one or more integrated circuits (ICs). The study of the IC’s reliability, and in particular of the MOS transistors that constitute them, it’s fundamental to allow ensuring required life time and performance. Despite the reliability of the MOS has been studied for more than 40 years, the rapid and continuous technological evolution makes it an always actual issue. Among the various reliability problems related to MOS transistors, one of the most important is the breakdown, which is the subject of this thesis. The phenomenon concerns the breaking of the gate dielectric and is described statistically by the Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). The objective of this thesis is to increase the general understanding of the TDDB and its dependencies on temperature, voltage and thickness of the dielectric, for both devices with SiO2 and with high-k dielectrics. The study has been carried out through a critical analysis of the experimental data published in the literature and device simulations made with the software MDLab. After having collected and analyzed the largest number of experimental data available in the literature to identify main TDDB dependencies, specific device simulations have been used to better understand the phenomenon. Experimental data show generally an Arrhenius temperature dependence of TDDB for SiO2, which is correctly reproduced by the simulator. TDDB voltage dependence is linear, trend confirmed by the simulator. The use of the simulator combined with a critical analysis of the data has allowed to shed light on some literature studies reporting a dependency of TDDB on the voltage dependent on dielectric thickness and amplitude of the applied stress voltage. This fact is due to a misleading representation of data not accounting properly for the effective voltage applied to the dielectric. The dependence of TDDB on the voltage returns to be linear by plotting the data as a function of the electric field. The oxide thickness affects the TDDB: for SiO2 the statistical dispersion of TDDB decreases linearly with the thickness, trend confirmed by simulations. The same work has been carried out for the high-k and the trends for temperature and voltage are similar to those of SiO2. On the contrary, the statistical dispersion of the TDDB does not reduces with the oxide thickness and remains approximately constant. The use of the simulator allowed to suggest that high-k breakdown may be controlled by a correlated defects generation. Finally, it was analyzed the bimodal trend of the TDDB distribution observed for high-k, in relation to the main theories reported in the literature. Through the simulator we tried to understand the validity of these theories . This research could be a reference for those who want to investigate the issue of reliability because it provides a vast amount of data, or help in the development of simulation software providing useful parameters to make the results more reliable.
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