Il ruolo della carica intrappolata sull’affidabilità e la degradazione negli ossidi

With the device’s miniaturization ever closer to the atomic dimensions, the role of oxide defects has become increasingly important, since the impact of each individual defect becomes more prominent with scaling. Charges trapped at such defects can seriously alter the device's electrostatics, leading to shifts of the threshold voltage in transistors, jitter in oscillators, and timing violation in logic circuits, thus representing one of the root causes of reliability concerns in modern technology. Also, to cope with the aggressive scaling, the details of the physical mechanisms underlying charge trapping in oxides must be better understood, especially since the now-standard high-κ materials (e.g., HfO2), exhibit a higher defect density compared to SiO2. By performing dedicated physics-based simulations, we analyze the impact of trapped charge on three key phenomena in SiO2 and/or HfO2 stacks, namely i) Random Telegraph Noise (RTN), ii) ferroelectric switching, and iii) Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). With ad-hoc kinetic Monte Carlo (kMC) simulations that explicitly include the electric field contribution given by the trapped charge, we analyze the effect of the latter on the RTN characteristics and the related signal complexity, starting from simpler scenarios (i.e., bi-state defects) to more complex pictures (i.e., multi-state defects able to move within the material). We find that the presence of trapped charges at defects can strongly alter the local potential within the oxide, even becoming dominant at low applied bias conditions, causing deviations of the expected electrical response if only the applied voltage is considered. Results show that considering the electric field generated by the trapped charge can explain the different kinds of complexity experimentally detected in RTN measurements (e.g., temporary, mutant, anomalous, and coupled RTN). Also, we provide a model of cycling-induced degradation in HfO2-based ferroelectric capacitors (FeCAPs) where charge trapping and the related internal electrostatic perturbations are included, first in the context of the Preisach model and subsequently considering the more sophisticated Ginzburg-Landau theory. With the support of specific electrical measurements, an additional degradation phenomenon that occurs in such FeCAPs is analyzed, namely the imprint. Experimental outcomes, together with literature findings, allow us to explain imprint effects in Hf0.5Zr0.5O2 in the framework of charge injection and domain seed pinning models. Finally, in the context of the Charge Injection model, we investigate the influence of trapped charges on TDDB, also in combination with different defect precursor sites' microscopic properties, providing a more complete description of the breakdown phenomenon. Interestingly, results show that the effect of the trapped charge can lead to an increased reliability margin (higher TDDB lifetime) by delaying trapping into existing precursors, possibly leading to more realistic predictions of the lifetime estimates at operating conditions.

Con la miniaturizzazione dei dispositivi verso le dimensioni atomiche, il ruolo dei difetti negli ossidi è diventato sempre più importante, poiché l'impatto di ogni singolo difetto diventa più prominente con il ridimensionamento. In tali difetti, si può intrappolare della carica che va ad alterare seriamente l'elettrostatica del dispositivo, portando a variazioni della tensione di soglia nei transistor, tremolii negli oscillatori e violazione della temporizzazione nei circuiti logici, rappresentando così una delle cause principali dei problemi di affidabilità nella tecnologia moderna. Inoltre, per far fronte all’aggressivo ridimensionamento dei dispositivi, è necessario comprendere meglio le dinamiche e i meccanismi fisici alla base dei fenomeni di intrappolamento di carica, soprattutto perché i materiali ad alta permettività (ad esempio, HfO2), mostrano una maggiore densità di difetti rispetto a SiO2. Attraverso dedicate simulazioni basate sulla fisica, analizziamo l'impatto della carica intrappolata su tre fenomeni chiave che emergono in SiO2 e/o HfO2, vale a dire i) Random Telegraph Noise (RTN), ii) commutazione ferroelettrica e iii) rottura del dielettrico nel tempo (TDDB). Con simulazioni kinetic Monte Carlo (kMC) ad-hoc, che includono esplicitamente il contributo del campo elettrico dato dalla carica intrappolata, analizziamo l'effetto di quest'ultima sulle caratteristiche dell’RTN e la relativa complessità del segnale, partendo da scenari più semplici (i.e., difetti bi-stato) per poi analizzare casi più complessi (i.e., difetti multi-stato in grado di muoversi all'interno del materiale). La presenza di carica intrappolata nei difetti può alterare fortemente il potenziale locale all'interno dell'ossido, diventando anche dominante in condizioni di bassa tensione applicata, causando deviazioni della risposta elettrica attesa se si considera solo la tensione fornita dall’esterno. I risultati mostrano che considerare il campo elettrico generato dalla carica intrappolata può spiegare i diversi tipi di complessità rilevati sperimentalmente nelle misure RTN (ad esempio, RTN temporaneo, mutante, anomalo e accoppiato). Inoltre, forniamo un modello della degradazione indotta da impulsi di tensione nel tempo in condensatori ferroelettrici a base di HfO2, in cui viene direttamente incluso l'intrappolamento di carica e le relative perturbazioni elettrostatiche, prima nel contesto del modello di Preisach e successivamente considerando la più sofisticata teoria di Ginzburg-Landau. Con il supporto di specifiche misure elettriche, viene analizzato un ulteriore fenomeno di degradazione che si verifica in tali condensatori, ovvero l'imprint. I risultati sperimentali, insieme ai risultati della letteratura, ci permettono di spiegare gli effetti di imprint in Hf0.5Zr0.5O2 nell'ambito dei modelli di iniezione di carica e di pinning del dominio. Infine, nell'ambito del modello di Charge Injection, studiamo l'influenza delle cariche intrappolate sul TDDB, anche in combinazione con diverse proprietà microscopiche dei siti precursori dei difetti, fornendo una descrizione più completa del fenomeno della rottura del dielettrico. È interessante notare che i risultati mostrano che l'effetto della carica intrappolata può portare a un aumento del margine di affidabilità (maggiore durata del TDDB) ritardando l'intrappolamento nei precursori esistenti, portando probabilmente a previsioni più realistiche delle stime della durata in condizioni operative.