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Kurzfassung

Die Zuverlässigkeit von einzelnen Elektronikkomponenten ist unter anderem von bias temperature instability (BTI) und hot-carrier degradation (HCD) beeinflusst. Diese Degradationsmechanismen beeinflussen die Leistungsfähigkeit von einem der wichtigsten Bauteile in elektronischen Schaltkreisen, nämlich dem metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET). Typischerweise werden BTI und HCD unabhängig voneinander erforscht. Zum Beispiel wird BTI unter homogenen Bedingungen charakterisiert, indem keine Spannung am Drain-Kontakt angelegt wird. Sobald die Spannung am Drain-Kontakt erhöht wird, herrschen immer inhomogenere Bedingungen vor, was zu einem wachsenden Beitrag von HCD zur Gesamtdegradation führt. Obwohl es bekannt ist, dass eine solche gemischte BTI/hot-carrier (HC) Degradation den anwendungsrelevantesten Fall darstellt, gibt es wenige Studien zu der Auswirkung auf die MOSFET-Parameter.

In dieser Dissertation wird eine fundierte experimentelle Untersuchung der Auswirkung von gemischtem negative BTI (NBTI)/HC Stress auf SiON pMOSFET Charakteristika präsentiert. Dies beinhaltet einerseits einen Vergleich zwischen zwei gängigen Messmethoden der Schwellspannungsänderung, nämlich der Messung der Gate-Spannung bei konstantem Drain-Strom und der Messung des Drain-Stromes bei konstanter Gate-Spannung. Es wird gezeigt, dass beide Messmethoden unterschiedliche Ergebnisse des zeitlichen Verlaufes der Schwellspannungsänderung nach gemischtem NBTI/HC Stress liefern. Diese Unterschiede werden ausführlich diskutiert. Andererseits liegt der Fokus auf der Untersuchung der ausheilbaren Degradationskomponente. Interessanterweise beeinflusst gemischter NBTI/HC Stress eben diese sehr stark auf Grund von zwei Effekten.

Der erste Effekt ist die Unterdrückung des Beitrags zur ausheilbaren Komponente von einzelnen Materialdefekten im Oxid unabhängig von deren lateralen Positionen. Bisher wurde angenommen, dass das Ausheilen der Schwellspannungsdegradation nur von den elektrostatischen Bedingungen während der Stressphase abhängt. Auf der Einzeldefekt-ebene bedeutet das, dass aufgrund der inhomogenen Bedingungen im Oxid während gemischtem NBTI/HC Stress hauptsächlich Defekte nahe des Source-Kontaktes zur Ausheilung von der Degradation beitragen. Es wird gezeigt, dass diese Annahme nicht stimmt und dass auch der Beitrag von source-seitigen Defekten unterdrückt wird. Dies führt zu einer wesentlich höheren Reduktion der ausheilbaren Degradationskomponente als angenommen. Es wird gezeigt, dass zusätzlich zu den elektrostatischen Bedingungen, im Falle von gemischtem NBTI/HC Stress auch die Ladungsträgerverteilung im Kanal, welche sich auf Grund der inhomogenen Bedingungen und Impact Ionization ändern kann, berücksichtigt werden muss.

Der zweite Effekt betrifft das “Verschwinden" von Defekten auf Grund der Messgeschichte des MOSFETs. Die Experimente zeigen, dass Oxid-Defekte nach vielen Stresszyklen elektrisch inaktiv werden und somit weder zur Degradation, noch zur Ausheilung vom MOSFET beitragen. In diesem Zusammenhang wird der Volatility-Effekt als mögliche Ursache diskutiert.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beide Mechanismen, NBTI und HCD, einander beeinflussen. Diese Beeinflussung hängt sowohl von den Stressbedingungen, die physikalische Mechanismen auslösen, welche mit NBTI und HCD assoziiert werden, als auch von vergangenem Stress ab.

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