Transistoren haben eine begrenzte Lebenserwartung, besonders bei großer Hitze. Tibor Grasser untersucht, woran das liegt, und bekommt den Paul-Rappaport-Award. Warum gehen Transistoren kaputt? Foto: Sauerstoffatome werden rot, Siliziumatome gelb dargestellt. Durch die Schwingung des Gitters werden auch die elektronischen Zustände (Elektronenverteilung: blau) verändert. (c) TU Wien

In der Mikroelektronik hat man oft mit dem Problem zu kämpfen, dass Bauteile irgendwann versagen – besonders, wenn sie bei hoher Temperatur betrieben werden. Woran das liegt, wird in der die Forschungsgruppe rund um Prof. Tibor Grasser am Institut für Mikroelektronik erforscht. Noch vor wenigen Jahren vermutete man ganz andere Ursachen für Transistor-Versagen, die Forschungen an der TU Wien haben zu einem Paradigmenwechsel beigetragen. Für einen Review-Artikel über dieses Thema wurde Tibor Grasser und sein Forschungsteam gemeinsam mit den Partnerunternehmen IMEC, Infineon und KAI am 10. Dezember von der IEEE Electron Devices Society nun mit dem Paul Rappaport Award ausgezeichnet.

Heiße Transistoren werden müde

An einem Transistor muss eine gewisse elektrische Spannung angelegt werden, damit er Strom leitet. Wie hoch die Spannungsschwelle ist, die dabei überschritten werden muss, kann sich mit der Zeit ändern. „Der Transistor geht nicht abrupt kaputt, er wird langsam immer schlechter, das Gerät wird langsamer oder funktioniert irgendwann gar nicht mehr“, erklärt Tibor Grasser.

Für die Mikroelektronik-Industrie ist es immens wichtig, die Lebensdauer ihrer Bauteile abschätzen zu können. Nachdem niemand jahrelang auf die nötigen Daten warten kann, unterzieht man die Transistoren oft Tests unter besonders erschwerten Bedingungen. „Statt die Transistoren bei Zimmertemperatur zu untersuchen, erhitzt man sie beispielsweise auf 200°C und legt vielleicht auch noch eine hohe Spannung an“, sagt Grasser. Das reduziert die Lebensdauer der Bauteile von Jahren auf Wochen oder Tage.

Stresstest für Elektronik

Um aus diesen Messungen allerdings Rückschlüsse darauf ziehen zu können, wie sich die Transistoren unter normalen Bedingungen verhalten würden, muss man die Mechanismen der Degenerationsprozesse genau verstehen. Tibor Grasser und sein Team untersuchen daher die quantentheoretischen Hintergründe, die das Versagen des Transistors erklären.

Antworten liegen auf atomarer Ebene

Moderne Feldeffekt-Transistoren sind Schichten von Silizium und Siliziumoxid aufgebaut. Silizium und Sauerstoff gehen feste Bindungen ein und ergeben eine nicht überall ganz gleichmäßige Struktur. An den Grenzflächen gibt es einzelne Atome, denen ein Bindungspartner fehlt – diese freien Stellen werden durch Wasserstoffatome abgesättigt.

Diese Wasserstoffatome standen im Zentrum der lange Zeit verbreiteten Theorien über die temperaturabhängige Zerstörung der Transistoren: Wenn der Wasserstoff nämlich abgelöst wird und sich von der Grenzfläche fortbewegt, dann entstehen geladene Defekte an der Oberfläche. Einzelne elektrische Ladungsträger im Transistor können die Spannung erhöhen, die angelegt werden muss, um Strom passieren zu lassen.

„Die Diffusion von Wasserstoff in dieser Form ist grundsätzlich kein unplausibles Modell“, findet Tibor Grasser, „und wenn man sich die experimentellen Daten genauer ansieht, die in den letzten Jahren gesammelt wurden, dann muss man erkennen, dass dieses Modell nicht wirklich stimmen kann.“ Entscheidend sind hingegen Oxid-Defekte im Halbleiter: „Silizium-Oxid bildet kleine Tetraeder, manchmal fehlt allerdings ein Sauerstoff-Atom“, sagt Grasser. „Auch das verursacht punktuelle Ladungen und erhöht die nötige Schwellenspannung.“

Theoretische Rechnungen, Computersimulationen und experimentelle Messungen gehören in der Gruppe von Tibor Grasser zusammen. „Wenn man nicht genau versteht, was bei der Messung passiert, kann man auch keine gute Theorie entwickeln“, meint er. Die internationale Elektrotechnik-Vereinigung IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) lud Tibor Grasser ein, zu diesem so wichtige Thema der temperaturabhängigen Transistor-Degradation die eigenen Arbeiten über die letzten sechs Jahre zusammenzufassen. Aus den über 600 in den Journalen der IEEE Electron Devices Society erschienen Publikationen wird jährlich die beste mit dem Paul Rappaport-Preis prämiert – mit seiner Veröffentlichung konnte Tibor Grasser in diesem Jahr diese prestigeträchtige Auszeichnung an die TU Wien holen.

Rückfragehinweis:
Tibor Grasser
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien
T: +43-1-58801-36023
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