Verspannungstechniken zur Leistungssteigerung von SOI-CMOS-Transistoren

• Main Author: Flachowsky, Stefan
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2010
• Subjects: CMOS; Verspannungstechniken; verspanntes Silizium; Skalierung; mechanisch verspannte Transistoren; TCAD; Ladungsträgerbeweglichkeit; stress techniques; strained silicon; scaling; mechanicaly stressed transistors; carrier mobility; ddc:620; rvk:ZN 4960
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-63136; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-63136; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/6313/Stefan%20Flachowsky%20-%20Dissertation%202010.pdf

Mit dem Erreichen der Grenzen der konventionellen MOSFET-Skalierung werden neue Techniken untersucht, um die Leistungsfähigkeit der CMOS-Technologie dem bisherigen Trend folgend weiter zu steigern. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung mechanischer Verspannungen im Transistorkanal. Mechanische Verspannungen führen zu Kristalldeformationen und ändern die elektronische Bandstruktur von Silizium, so dass n- und p-MOSFETs mit verspannten Kanälen erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeiten und demzufolge eine gesteigerte Leistungsfähigkeit aufweisen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen mechanischer Verspannungen auf die elektronischen Eigenschaften planarer Silicon-On-Insulator-MOSFETs für Höchstleistungsanwendungen sowie mit deren Optimierung und technologischen Begrenzungen. Der Effekt der Verspannung auf die Bandstruktur von Silizium und die Ladungsträgerbeweglichkeit wird zunächst systematisch mit Hilfe der empirischen Pseudopotenzialmethode und der Deformationspotenzialtheorie untersucht. Verringerte Streuraten und kleinere effektive Massen als Folge der Aufspaltung der Energiebänder sowie von Bandverformungen sind der Hauptgrund für eine erhöhte Löcher- bzw. Elektronenbeweglichkeit. Die unterschiedlichen Konzepte zur Erzeugung der Verspannung werden kurz rekapituliert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den verspannten Deckschichten, den Si1-xGex- bzw. Si1-yCy- Source/Drain-Gebieten, den verspannungsspeichernden Prozessen und den verspannten Substraten. Die starke Abhängigkeit dieser Verspannungstechniken von der Transistorstruktur macht die Nutzung numerischer Simulationen unabdingbar. So werden die Auswirkungen von Variationen der Transistorgeometrie sowie von Prozessparametern im Hinblick auf die Verspannung und die Drainstromänderungen der Transistoren neben den Messungen am gefertigten Transistor auch anhand numerischer Simulationen dargestellt und verglichen. Wesentliche Parameter für eine erhöhte Verspannung werden bestimmt und technologische Herausforderungen bei der Prozessintegration diskutiert. Die durchgeführten Simulationen und das erlangte Verständnis der Wirkungsweise der Verspannungstechniken ermöglichen es, das Potenzial dieser Verspannungstechniken für weitere Leistungssteigerungen in zukünftigen Technologiegenerationen abzuschätzen. Dadurch ist es möglich, die Prozessbedingungen und die Eigenschaften der fertigen Bauelemente im Hinblick auf eine gesteigerte Leistungsfähigkeit hin zu optimieren. Mit der weiteren Verkleinerung der Strukturgrößen der Bauelemente wird der zunehmende Einfluss der parasitären Source/Drain-Widerstände als Begrenzung der Effektivität der Verspannungstechniken identifiziert. Anschließend werden die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Verspannungstechniken hervorgehoben bzw. die gegebenenfalls auftretenden Einschränkungen angesprochen. Abschließend wird das Transportverhalten sowohl im linearen ohmschen Bereich als auch unter dem Einfluss hoher elektrischer Feldstärken analysiert und die deutlichen Unterschiede für die Leistungssteigerungen der verspannten n- und p-MOSFETs begründet. === As conventional MOSFET scaling is reaching its limits, several novel techniques are investigated to extend the CMOS roadmap. One of these techniques is the introduction of mechanical strain in the silicon transistor channel. Because strain changes the inter-atomic distances and thus the electronic band structure of silicon, ntype and p-type transistors with strained channels can show enhanced carrier mobility and performance. The purpose of this thesis is to analyze and understand the effects of strain on the electronic properties of planar silicon-on-insulator MOSFETs for high-performance applications as well as the optimization of various stress techniques and their technological limitations. First, the effect of strain on the electronic band structure of silicon and the carrier mobility is studied systematically using the empirical pseudopotential method and the deformation potential theory. Strain-induced energy band splitting and band deformations alter the electron and hole mobility through modulated effective masses and modified scattering rates. The various concepts for strain generation inside the transistor channel are reviewed. The focus of this work is on strained overlayer films, strained Si1-xGex and Si1-yCy in the source/drain regions, stress memorization techniques and strained substrates. It is shown, that strained silicon based improvements are highly sensitive to the device layout and geometry. For that reason, numerical simulations are indispensable to analyze the efficiency of the strain techniques to transfer strain into the channel. In close relation with experimental work the results from detailed simulation studies including parameter variations and material analyses are presented, as well as a thorough investigation of critical parameters to increase the strain in the transistor channel. Thus, the process conditions and the properties of the fabricated devices can be optimized with respect to higher performance. In addition, technological limitations are discussed and the potential of the different strain techniques for further performance enhancements in future technology generations is evaluated. With the continuing reduction in device dimensions the detrimental impact of the parasitic source/drain resistance on device performance is quantified and projected to be the bottleneck for strain-induced performance improvements. Next, the effects from a combination of individual strain techniques are studied and their interactions or possible restrictions are highlighted. Finally, the transport properties in the low-field transport regime as well as under high electrical fields are analyzed and the notable differences between strained n-type and p-type transistors are discussed.