Desafíos de Confiabilidad en dispositivos MetalÓxido- Semiconductor y circuitos integrados de radiofrecuencia.

Abstract

El paradigma de la miniaturización se ha encontrado con limitaciones, tanto económicas como tecnológicas, que atentan contra la mejora sostenida del rendimiento de los circuitos electrónicos. Garantizar la confiabilidad tanto a nivel físico de la estructura de un transistor como también a nivel de su aplicación en circuitos elaborados, es un eslabón fundamental en el proceso de maduración de las tecnologías de integración. Esta tesis versa sobre importantes desafíos que se presentan en esta materia para la próxima generación de dispositivos y circuitos integrados, llamados a extender la mejora continua de los sistemas nanoelectrónicos observada en las últimas tres décadas. A lo largo de este trabajo se busca un enfoque integral al estudio de la confiabilidad, analizada a través de dos ejes centrales del futuro de la tecnología electrónica: por un lado, el cambio del sistema de materiales utilizados en dispositivos basados en óxidos delgados en reemplazo del sistema silicio-dióxido de silicio; por otro lado, las exigencias en circuitos integrados basados en transistores de efecto de campo para aplicaciones de radiofrecuencia, tecnología esencial en el escenario del Internet de las Cosas. Estos dos ejes se encuentran al evaluar el impacto de la degradación de los dispositivos semiconductores sobre el funcionamiento de circuitos complejos, analizando las limitaciones y alternativas de diseño para maximizar la relación de compromiso entre desempeño y confiabilidad. Sobre el eje de los dispositivos nanoelectrónicos, se centra la atención en la degradación de los aislantes delgados. Desde el punto de vista de la ruptura dieléctrica, en este trabajo se reporta la influencia de las propiedades térmicas de óxidos de alta constante en la ruptura de dispositivos metal-aislante-metal y metal-aislante-semiconductor. A su vez, se propone una interpretación para el rol de óxidos bicapa en la velocidad de la ruptura bajo estrés eléctrico, centrada en el papel de la temperatura en la ruptura progresiva. A su vez, se estudia el origen e impacto de los defectos del óxido en estructuras metalóxido- semiconductor sobre sustratos de alta movilidad, llamados a ser reemplazo de la tecnología silicio-dióxido de silicio. Se discute sobre el rol de la distribución de defectos, el atrapamiento de carga y los procesos de fabricación, reportando claras diferencias entre indicadores de calidad ampliamente utilizados en la literatura para caracterizar estos dispositivos. Como alternativa novedosa de considerable potencial tecnológico, se extiende el análisis sobre el nitruro de boro hexagonal, un aislante en dos dimensiones con interesantes propiedades como posible elemento de memoria no volátil. La adquisición y procesamiento del ruido eléctrico durante la ruptura del aislante se presenta como una herramienta útil para la identificación de los defectos que promueven la ruptura del mismo y que pueden resultar limitantes en aplicaciones proyectadas para este material. Sobre el segundo eje troncal de esta tesis, y como aplicación fundamental dentro de los sistemas integrados, se estudia el impacto del envejecimiento de los dispositivos electrónicos sobre el desempeño de circuitos de radiofrecuencia en tecnologías metalóxido- semiconductor complementarias. Desde la perspectiva de un diseñador y desde etapas tempranas de diseño, se demuestran las relaciones de compromiso entre confiabilidad y rendimiento, se provee un enfoque por exploración del espacio de diseño para optimizar estas relaciones en amplificadores de potencia en la banda de 2.4 GHz y se sugieren estrategias de recuperación integradas para paliar la degradación paramétrica de los dispositivos. Esto se propone dentro de un flujo de simulación integral que contempla la física detrás de la variación de parámetros eléctricos y del ruido de los dispositivos involucrados, respectivamente verificados en forma experimental. Puntualmente, se reportan resultados de la importancia de tal enfoque sobre osciladores controlados por tensión. Se destaca el impacto del aumento del ruido bajo condiciones de estrés en los transistores y se propone una metodología de simulación que refleje este fenómeno en el desempeño de los osciladores durante el diseño.

The miniaturization paradigm has come across limitations, both economic and technological, which threaten the sustained improvement in performance observed through generations of electronic circuits. Reliability insurance of the physical structure of transistor, as well as at the system level, where devices are part of complex circuits, is a key factor in the maturation process of integration technologies. This thesis discusses important challenges presented in this matter for the next generation of integrated circuits and devices, called upon to extend the continuous advancement of nanoelectronic circuits that has been observed over the las three decades. An integral approach to the study of reliability is boarded in this work over two central axes of the future of electronics: on one hand, the change of the materials used to build thin-oxide devices looking to replace the classic silicon-silicon dioxide system; on the other, the strong requirements placed on radiofrequency integrated circuits based on field effect transistors, essential in the emerging Internet of Things and post-5G communications. These two axes meet when analyzing the impact of semiconductor device aging on the operation of a full circuit, considering limitations and alternatives to maximize the trade-offs between performance and reliability. On the axis of nanoelectronic devices, the focus is set on the degradation of thin insulators. Regarding dielectric breakdown, this work reports the influence of the thermal properties of high-k dielectrics on the breakdown of metal-insulator-metal and metalinsulator- semiconductor devices. Additionally, an interpretation is introduced in relation to the impact of bilayered oxides on the breakdown growth rate under electrical stress, centered on the role played by the temperature in the progressive breakdown. Moving along, this work studies the origin and impact of oxide defects on metaloxide- semiconductor devices based on high mobility substrates, great candidates to replace silicon-based technology. The role of defect distribution, charge trapping and fabrication recipes are discussed, reporting clear differences between widely accepted quality indicators used to characterize these devices. As a novel alternative of considerable technological potential, the analysis is extended to hexagon boron nitride, a two-dimensional insulator with interesting properties for its application as non-volatile memory. Noise signal acquisition and processing during the breakdown transients is presented as a powerful tool to identify defects promoting breakdown growth and that can determine its performance on the intended applications for this material. On the second axis of this work, and as a cornerstone in modern integrated systems, the impact of device aging on the performance of radiofrecuency CMOS integrated circuits is studied. From the circuit designers’ perspective and from early design stages, the trade-offs between performance and reliability are detailed, a design space exploration is proposed to optimize such trade-offs in 2.4 GHz band power amplifier design and integrated circuit architectures are proposed for the recovery against device parametric degradation with operating time. This is enclosed in a complete simulation flow that considers the physics behind device parameter drift and noise behavior of the aged devices, respectively verified with experimental techniques. Specifically, results are reported on the importance of such approach on the reliability study of voltage-controlled RF CMOS oscillators. The impact of device noise increase under stress is highlighted and a modeling framework is implemented to consider this reliability-threatening phenomenon during circuit design.