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Characterization of parasitic effects in integrated semiconductor devices with contactless fault isolation techniques / Charakterisierung von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen mit Hilfe kontaktloser Fehlerdetektionsverfahren

Authors
  • Beyreuther, Anne
Publication Date
Mar 10, 2022
Identifiers
DOI: 10.14279/depositonce-14808
OAI: oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/16034
Source
DepositOnce
Keywords
Language
English
License
Green
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Abstract

This work investigates several different characterization procedures for parasitic effects in integrated semiconductor devices. It specifically focuses on back-bias induced parasitic effects, such as the forward biased parasitic diode and the parasitic bipolar junction transistor as well as drain-induced barrier lowering and parasitic sub-threshold currents. The fault isolation methods chosen for this investigation are photon emission measurements and electro-optical frequency mapping. These measurement methods are both contactless and non-destructive but are based on very different physical effects: whilst PEM is relies on the emission of photons that accompany the device operation, EOFM makes use of the changing optical properties of the device under test. A new photon emission-based technique to characterize engineered energy band-gaps of fully functional transistor devices was developed. This technique uses the parasitic diode and its spectral distribution of emission intensity to determine the band-gap energy of the materials used in a given transistor. The applicability of this characterization technique has been demonstrated on different transistor types. Spectral photon emission was furthermore also proven to be an excellent, non-invasive characterization tool for parasitic bipolar transistors in operating bulk FinFETs. The experimental results gained with this method demonstrated the very good suppression of parasitic bipolar effects by the investigated bulk FinFETs. The research on electro-optical frequency mapping as a characterization tool for back-bias induced parasitic effects yielded further results: The sensitivity to charge carrier concentration changes of this measurement method was used here to successfully characterize strong inversion and accumulation mode in metal-insulator-semiconductor (MIS)structures in FETs and thus providing deeper insight into the device’s behavior. EOFM measurements were also proven to be a suitable characterization tool for the different operation modes in lateral bipolar transistors and vertically build bipolar transistors, allowing furthermore for the detection of faulty device operation in modern HBT devices. In addition, this thesis includes the first comprehensive parametric investigations of EOFM measurements on single FinFET transistors published thus far, laying the groundwork for future EOFM investigations on modern FinFET devices. / Diese Doktorarbeit befasst sich mit verschiedenen Charakterisierungsverfahren von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen. Spezieller Fokus wurde hierbei auf die mit Hilfe einer Substrat-Vorspannung (Back-Bias) erzeugten parasitären Effekte gelegt. Dazu gehören die parasitäre, in Durchlass geschaltete Diode, der parasitäre Bipolartransistor sowie parasitäre Ströme im Unterschwellbereich. Für diese Untersuchung wurden zwei Fehleranalysemethoden ausgewählt: Spektrale Photon-Emissions-Mikroskopie (SPEM) und elektro-optischen Frequenzkartografie (EOFM). Beide Messverfahren sind kontaktlos und zerstörungsfrei, beruhen aber auf verschiedenen physikalischen Effekten. So wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Methode zur Bestimmung von Energie-Bandlücken an modernen Transistoren entwickelt, die auf der spektralen Photon-Emissions-Mikroskopie basiert. Diese Methode nutzt die parasitäre Diode eines gegebenen Transistors und deren spezifische Photonen-Emissionsverteilung, um die jeweilige Materialzusammensetzung des Transistors zu bestimmen. Die Gültigkeit dieser Methode wurde an drei verschiedenen Transistortypen demonstriert. Es wurde außerdem gezeigt, dass sich SPEM hervorragend eignet, um den parasitären Bipolartransistor in modernen Fin-Feldeffekttransistoren (FinFET) zu charakterisieren. Im Zuge dieser Charakterisierung wurde auch gezeigt, dass der FinFET die parasitären bipolaren Effekte weitaus besser unterdrückt als planare Feldeffekttransistoren (FET). Auch die Untersuchung von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen mit Hilfe von elektro-optischen Frequenzkartografie lieferte neue Erkenntnisse. Die Sensitivität gegenüber der Änderung von Ladungsträgerkonzentrationen dieser Messmethode konnte eingesetzt werden, um verschiedene Betriebsmodi in Metall-Isolator/Halbleiter (MIS) Strukturen zu bestimmen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass EOFM ein geeignetes Werkzeug ist, um die verschiedenen Betriebszustände lateraler und vertikaler Bipolartransistoren zu charakterisieren und dabei fehlerhafte Bauelemente zu erkennen. Die Doktorarbeit beinhaltet außerdem die erstmalige parametrische Untersuchung von einfachen FinFETs anhand von EOFM und schafft somit die Grundlage für weiterführende Untersuchungen mit diesem Messverfahren an modernen Fin-Feldeffekttransistoren.

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