Steigerung der Trägerbeweglichkeit in verspanntem Silizium

Der rasanten Entwicklung bei integrierten Schaltungen und der Rechenleistung von Computern liegt die Miniaturisierung der verwendeten Halbleiterbauelemente zugrunde. In letzter Zeit ist die Halbleiterindustrie allerdings an einem kritischen Punkt angekommen, da bei einer weiteren Verkleinerung der Strukturen in den Sub- Nanometer Bereich eine fundamentale Grenze gesetzt ist. Soll die Leistung von CMOS Elementen dennoch weiter verbessert werden, müssen neue und innovative technische Lösungen entwickelt werden. Ein vielversprechender Ansatz beruht auf dem Einbau von mechanischer Spannung im Transistorkanal, wodurch die Ladungsträgerbeweglichkeit erheblich erhöht werden kann. Diese auf mechanischer Verspannung beruhende Technologie (strain engineering) wird für die nächsten CMOS Generationen mit Sicherheit eine zentrale Rolle spielen. Neben der Möglichkeit, biaxiale Spannung durch das epitaktische Aufwachsen von Silizium auf einem Silizium-Germanium Substrat herzustellen, erlauben moderne Technologien das Anlegen von uniaxialer Spannung entlang des Transistorkanals in [110] Richtung. Spannung in dieser Richtung erzeugt erhebliche Scherverformungen des Kristallgitters. Der Einfluss der Scherverformung auf die Leitungsbandstruktur wurde bisher jedoch noch nicht ausreichend analysiert. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass neue Architekturen entwickelt werden, die auf Multi-Gate Strukturen mit verbesserter elektrostatischer Kontrolle des Kanals und reduzierten Kurzkanaleffekten basieren. Eine umfassende Analyse von Landungsträgertransport in Multi-Gate MOSFETs unter allgemeinen Spannungsverhältnissen ist notwendig, um etwaige daraus resultierende Verbesserungen der Transistorkenngrößen zu verstehen. In diesem Projekt wird die Veränderung der Leitungsbandstruktur durch Schubspannung störungstheoretisch untersucht. Auf der Basis der quantenmechanischen Störungstheorie für den Ein-Teilchen Hamiltonoperator für das durch Schubspannung verformte Gitter werden analytische Ausdrücke für die relative Aufspaltung zwischen den Tälern der Leitungsbänder und der Auswirkung selbiger auf die effektiven Elektronenmassen entwickelt. Die gewonnenen analytischen Ausdrücke sollen mit Ergebnissen einer numerischen auf der empirischen Pseudopotentialmethode beruhenden Bandstrukurberechnung verglichen und verifiziert werden. Es wird erwartet, dass die effektive Masse im niedrigsten Leitungsband in Richtung der angelegten Zugspannung sinkt und dadurch die Beweglichkeit erheblich gesteigert wird. Die analytischen Ausdrücke für die Bandstruktur von verspanntem Silizium werden in den existierenden Monte Carlo Transport Simulator implementiert. Der Ladungsträgertransport für allgemeine Spannungsverhältnisse und beliebige Substratorientierung wird in Bulk-Silizium, in Inversionsschichten und in dünnen Silizium Filmen untersucht. Das entwickelte analytische Modell für die Bandstruktur ermöglicht effiziente Simulationen von konventionellen und zukünftigen Multi-Gate MOSFET Architekturen und erlaubt dabei die Optimierung der Eigenschaften von hoch entwickelten MOSFETs hinsichtlich allgemeiner Spannungsverhältnisse.

Die rasche Steigerung der Rechenleistung und Geschwindigkeit von integrierten Schalt-kreisen wird unterstützt durch die aggressive Größenreduktion der Halbleiterbauelemente. Das nahende Ende der Bauteilskalierung, durch Erreichen fundamentaler physikalischer Grenzen, stellt die Halbleiterindustrie vor kritische Herausforderungen. Neue konstruktive Lösungen und innovative Techniken werden benötigt, um die Leistung von CMOS-Transistoren weiter zu steigern. Durch mechanische Verspannung induzierte Beweglichkeitsserhöhung stellt die attraktivste Möglichkeit dar, die Bauteilgeschwindikeit zu erhöhen und nimmt eine Schlüsselposition unter den möglichen technischen Verbesserungen für zukünftige Technologiegenerationen ein. Zusätzlich werden neue Bauteilarchitekturen basierend auf Multi-Gate-Strukturen mit besserer elektrostatischer Kontrolle und reduzierten Kurzkanaleffekten entwickelt. Eine umfassende Analyse des Ladungstransportes in Multi-Gate-MOSFETs unter beliebigen Verspannungen wird benötigt, um die Leistungssteigerung dieser Bauteile zu verstehen. Neben der biaxialen Verspannung, erzielt durch epitaxial aufgewachsenes Silizium auf einem Silizum-Germanium Substrat, erlauben aktuelle Techniken große uniaxiale Verspannungen entlang des [110]-Kanals. Verspannungen entlang dieser Richtung generieren signifikante Scher-gitterverzerrungen. Der Einfluss dieser Scherverformung auf die Bandstruktur des Leitungsbandes wurde bisher noch nicht sorgfältig analysiert. In diesem Projekt wurde die Modifikation des Leitungsbandes unter Scherspannung mit Hilfe theoretischer Mittel erforscht. Ein Hamilton- Operator für das verformte Gitter, basierend auf der Entwicklung nach kleinen Störungen, wurde abgeleitet. Ausgehend von dieser Entwicklung wurden analytische Ausdrücke für die relative Verschiebung zwischen den Leitungsbandtälern und der effektiven Massenänderung durch die Scherspannungskomponente abgeleitet. Die Ergebnisse des analytischen Models für die Bandstruktur wurden durch Vergleich mit der Bandstruktur aus empirischen Pseudopotentialberechnungen verifiziert. Die effektive Leitungsbandmasse in den Tälern mit geringster Energie verringert sich entlang der [110]-Richtung unter tensiler Verspannung und stellt damit eine signifikante Erhöhung der Beweglichkeit bereit. Die entsprechenden analytischen Ausdrücke wurden in einen bestehenden auf der Monte Carlo-Methode basierenden Transportsimulator implementiert. Die präzise Transportmodellierung in Bulksilizium, in Oberflächeninversionsschichten und dünnen Siliziumschichten für beliebige Verspannungen als auch Substratorientierungen wurde damit gezeigt. Das analytische Bandstrukturmodel erlaubt eine effiziente Simulation von sowohl konventionellen als auch zukünftigen Multi-Gate-MOSFET- Architekturen und ermöglicht die weitere Optimierung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs für allgemeine Verspannungsbedingungen.