分享自:

从加速到工作条件:俘获电荷对SiO2和HfO2堆栈中TDDB的影响

期刊:IEEE Transactions on Device and Materials ReliabilityDOI:10.1109/tdmr.2024.3384056

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。

  1. 模拟设置与参数

    • 缺陷参数:基于密度泛函理论(DFT)计算,定义P的微观特性(如热电离能Eth、弛豫能Erel)及氧空位(VO)的电荷状态(SiO₂中为VO⁰/VO²⁻;HfO₂中为VO²⁺/VO⁺/VO⁰/VO⁻/VO²⁻)。
    • 模拟工具:使用多尺度建模软件Ginestra®,结合瞬态和直流仿真,模拟50次随机生成的器件以统计TDDB分布。
  2. 实验设计

    • 电压范围:SiO₂为2.1–5.0 V,HfO₂为2.5–4.0 V,覆盖加速与实际工作条件。
    • 关键对比:分别运行包含(ON)与忽略(OFF)陷阱电荷项的模拟,分析其对捕获时间常数(τc)、缺陷生成速率及最终击穿时间(tbd)的影响。
  3. 数据分析

    • Weibull统计:计算累积失效概率F(tbd)和形状因子β,提取t₆₃%(63%失效时间)与电场依赖关系。
    • 泄漏电流分析:评估陷阱电荷对直流条件下缺陷辅助隧穿(TAT)和直接隧穿(DT)电流的调控作用。

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)。

  1. HfO₂中的反向效应

    • 加速击穿:因VO⁺态主导局部电场增强,陷阱电荷使tbd缩短5个数量级(图11a),且击穿过程更突然(硬击穿HBD为主)。
    • 幂律主导:所有电压下数据均符合Vⁿ模型,但ON/OFF差异凸显陷阱电荷在低电压下的关键作用(图11c)。
  2. 前驱体特性的调控作用

    • Eth的影响:浅能级P(Eth=1.3–1.9 eV)对陷阱电荷敏感,深能级(Eth>2.8 eV)效应可忽略(图8)。
    • 泄漏电流:陷阱电荷普遍降低泄漏电流,但浅能级P的调控幅度更大(图10)。

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。

  1. 应用价值
    • 为先进CMOS器件中高κ介质的可靠性设计提供理论依据,尤其指导低功耗器件的寿命评估。
    • 通过调控P的微观特性(如Eth),可优化介电层的抗击穿性能。

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

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com