这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:
作者及机构
本研究由Sara Vecchi(意大利摩德纳雷焦艾米利亚大学”Enzo Ferrari”工程系与应用材料意大利公司)、Andrea Padovani(IEEE会员,同属摩德纳雷焦艾米利亚大学)、Paolo Pavan和Francesco Maria Puglisi(IEEE高级会员,摩德纳雷焦艾米利亚大学)合作完成,发表于2024年6月的《IEEE Transactions on Device and Materials Reliability》第24卷第2期。
学术背景
研究聚焦于介电击穿(Dielectric Breakdown, BD)的微观机制,特别是时间依赖性介电击穿(Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB)在SiO₂和HfO₂堆栈中的表现。传统理论(如热化学E模型、幂律Vⁿ模型和1/E模型)在加速条件下能拟合实验数据,但在实际工作条件下寿命预测差异显著。研究团队提出的载流子注入(Carrier Injection, CI)模型通过统一框架解释了上述矛盾,但此前未考虑陷阱电荷(trapped charge)对局部电场的调控作用。本研究旨在将陷阱电荷效应整合至CI模型,以更准确预测实际工作电压下的TDDB寿命。
研究流程与方法
1. 模型扩展与理论框架
- CI模型改进:在原模型中引入陷阱电荷对局部电场的修正,通过求解包含陷阱电荷项的泊松方程,量化其对缺陷前驱体(precursors, P)处电势的影响。
- 材料系统:针对两种典型介电材料——SiO₂(2.7 nm)/Si的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构和HfO₂(5 nm)的金属-绝缘体-金属(MIM)结构,分别模拟其缺陷生成动力学。
模拟设置与参数
实验设计
数据分析
主要结果
1. SiO₂中的陷阱电荷效应
- 延迟击穿:在低电压(2.1 V)下,陷阱电荷使局部电势降低24%,导致τc增加5个数量级,显著延长tbd(图7a-c)。
- 模型转变:传统E模型在加速条件下有效,但实际工作电压下数据更符合1/E趋势(图7c),与实验数据(2.67 nm SiO₂ MOS电容)高度吻合(图9)。
HfO₂中的反向效应
前驱体特性的调控作用
结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了陷阱电荷在低电场下对TDDB的主导作用,弥补了CI模型在实际工作条件预测的不足。
- 阐明了材料依赖性机制:SiO₂中陷阱电荷延缓击穿,而HfO₂中因VO⁺态加速击穿。
研究亮点
1. 创新方法:首次将陷阱电荷效应与CI模型结合,通过多尺度模拟量化其对局部电场的扰动。
2. 重要发现:揭示了材料特异性陷阱电荷行为,提出1/E模型更适合SiO₂工作电压预测。
3. 工具开发:利用Ginestra®实现缺陷生成与电荷输运的耦合仿真,为类似研究提供范式。
其他价值
研究还探讨了缺陷前驱体与陷阱电荷的协同效应(图6, 8c),为理解介电层退化动力学提供了新视角,例如HfO₂中VO⁺态对TAT电流的促进作用可能成为未来可靠性优化的靶