Semiklassische Modellierung des Ladungstransports in Inversionsschichten für Sub-100 nm-SiGe-CMOS-Transistoren

Chi Dong Nguyen

ISBN 978-3-8325-1306-1
150 Seiten, Erscheinungsjahr: 2006
Preis: 40.50 €

Die immer höheren Dotierungen und immer stärkeren elektrischen Felder im Kanalgebiet von modernen CMOS-Transistoren führen dazu, dass Quanteneffekte bei der Simulation des Ladungstransports im Inversionskanal nicht länger vernachlässigt werden können. In dieser Arbeit wurde daher ein genaues und rechenzeiteffizientes Kanaltransportmodell für p- und n-MOSFETs mit unverspannten und biaxial verspannten Siliziumkanälen entwickelt, das die wichtigsten Auswirkungen der bei der numerischen Simulation von modernen CMOS-Transistoren zu berücksichtigenden Quanteneffekte beschreibt. Das neue Modell ist gültig im Gittertemperaturbereich zwischen -73^oC und 227^oC, für Dotierungen kleiner als 5e+18 /cm³ und effektive vertikale Felder unterhalb von 2 MV/cm.

Die Entwicklung dieses Transportmodells erfolgte im wesentlichen in zwei Schritten: Erstens wurde ein lokales Modell zur Berechnung der Ladungsträgerdichte entwickelt ("Improved Modified Local Density Approximation"- oder IMLDA-Modell), mit dem die quantenmechanisch begründete Ladungsumverteilung im Kanal näherungsweise ohne Erhöhung der Rechenzeit berücksichtigt werden kann. Dazu wurde eine selbstkonsistente Lösung von Schrödingergleichung und Poissongleichung (Referenzmodell) zur Erzeugung der zur Anpassung des IMLDA-Modells benötigten Referenzdaten entwickelt. Das entwickelte IMLDA-Modell reproduziert hervorragend relevante Ergebnisse des Referenzmodells, wie z.B. die Inversionsflächenladungsdichte und die wesentlichen Kapazitäten, für einen großen Temperatur- und Dotierungsbereich sowohl im unverspannten als auch im verspannten Silizium-Inversionskanal. Zweitens wurde ein empirisches lokales Kanalbeweglichkeitsmodell für die quantenmechanisch korrekte Ladungsträgerverteilung entwickelt. In diesem Zusammenhang wurden Kanalbeweglichkeiten aus Messungen bei hohen Dotierungen und hohen Temperaturen extrahiert. Die Messungen wurden von der Firma Infineon durchgeführt. Dabei wurde eine zuverlässige Methode zur Kanalbeweglichkeitsextraktion aus Messungen entwickelt.

Bei Verwendung des neuen Kanaltransportmodells zeigt sich, dass Kapazitäten und Klemmenströme auch bei sub-100 nm Transistoren sehr gut reproduziert werden können. Ein großer Vorteil des neuen Modells ist seine zum klassischen Modell vergleichbar geringe Rechenzeit sowie seine numerische Robustheit und insbesondere seine einfache Implementierbarkeit in existierende Bauelementsimulatoren.