CMOS-Transistoren, die bei Tieftemperaturen betrieben werden, finden Anwendung in vielen Gebieten, wie der Quanteninformatik, wo die Steuerungselektronik für Qubits auf 4 K gekühlt wird, oder als Host-Technologie für eine monolithische Integration mit den Qubits. Auch für Hochleistungsrechner könnte ein Betrieb der CMOS-Logik bei Tieftemperaturen effizient sein. Alle diese Anwendungen basieren auf den temperaturabhängigen Transistoreigenschaften, welche eine Optimierung des Designs für den Betrieb bei Tieftemperaturen erlauben. Mit dem Betrieb der CMOS-Logik bei Tieftemperaturen entstehen neue Herausforderungen für Zuverlässigkeitsingenieur*innen. So sind Anwendungen im Zusammenhang mit Quantencomputern sehr empfindlich auf Rauschen, welches durch das Einfangen und Emittieren von Ladungen entsteht, und zu Dekohärenz der Qubits führen kann. Darüber hinaus lassen optimierte Designs wenig Spielraum für Variabilität zwischen den einzelnen Transistoren und für Schwellspannungsverschiebungen.
Die Rolle von Defekten im Oxid und an der Oberfläche zwischen Oxid und Substrat wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv erforscht. Diese Defekte können Ladungsträger einfangen und emittieren, was zu einer Änderung in der Elektrostatik des Transistors führt und letztendlich die Zuverlässigkeit der Bauteile negativ beeinflusst. Diese Kinetik kann mit dem Nichtstrahlende-Multiphononen-Modell (engl. nonradiative multiphonon, NMP) beschrieben werden. Da das vollständige NMP-Modell sehr rechenintensiv ist, wird in dieser Arbeit eine effiziente Näherung präsentiert, welche in den Zuverlässigkeitssimulator Comphy implementiert wurde. Das ermöglicht die Berechnung des Einflusses von tausenden Defekten auf die Schwellspannung und einen Vergleich mit experimentellen Daten. Zu diesem Zweck wurde die Spannungs-Temperatur-Instabilität (engl. bias-temperature-instability) zwischen 4 K und Raumtemperatur mit verschiedenen CMOS-Technologien gemessen. Das Degradationsverhalten wurde anschließend modelliert und mögliche Defektkandidaten wurden identifiziert.
Während in Transistoren mit großen Geometrien tausende von Defekten gleichzeitig aktiv sind, erlauben skalierte Transistoren die Untersuchung von Eigenschaften einzelner Defekte. In dieser Arbeit werden dazu Messungen mit der zeitabhängigen Defektspektroskopie (engl. time-dependent defect spectroscopy) und von Telegraphenrauschen (engl. random telegraph noise) präsentiert. Diese Messungen zeigen, dass Defekte selbst bei Tieftemperaturen noch Ladungsträger einfangen und emittieren. Die zugehörigen Raten werden temperaturunabhängig, was durch Tunneln zwischen atomistischen Konfigurationen (engl. nuclear tunneling) erklärt werden kann.
Einzelne Bauteile bieten die Möglichkeit, physikalische Defektmechanismen zu untersuchen. Um eine Technologie vollständig charakterisieren zu können, ist auch eine Untersuchung der Variabilität der Bauteileigenschaften notwendig. Dazu wurden SmartArrays verwendet, die es erlauben, tausende von Transistoren digital anzusteuern. Das ermöglicht die Untersuchung der Verteilung von Transistoreigenschaften und deren Temperaturabhängigkeit. Die Variabilität wichtiger Parameter nimmt bei 4 K zu. Das kann mit Hilfe von resonantem Tunneln erklärt werden, welches bei Tieftemperaturen auftritt.