Kurzfassung

HALBLEITER Prozess- und Bauelementsimulatoren sind etablierte Werkzeuge um die Entwicklungszeiten von Halbleiterprozessen so kurz wie möglich zu halten. Unter Zuhilfenahme numerischer Simulation kann der Bauelementingenieur dutzende Experimente in der Zeit durchführen, in der auf herkömmliche Weise nur die Herstellung eines einzigen Siliziumloses möglich ist. Heutzutage werden nicht mehr nur die grundlegenden Halbleitergleichungen gelöst. Vor allem die Modellierung und Simulation von Alterungsprozessen hat stark an Bedeutung gewonnen. Diese Arbeit gibt Einblick in das Thema Halbleitersimulation, wobei der Schwerpunkt auf der Modellierung dieser Degradationsmechanismen liegt.

Nach einer Einleitung, welche Überblick über Motivation und Struktur dieser Arbeit vermittelt, werden die grundlegenden Gleichungen zur numerischen Bauelementsimulation, die Modellierung von Generations- und Rekombinationsmechanismen sowie der räumlichen Quantisierung präsentiert.

Nachfolgend werden mögliche Defekte an der Grenzfläche beschrieben, da die Qualität dieses Überganges von höchster Bedeutung für die CMOS Technologie ist. Ebenso wird auf die experimentelle Charakterisierung eingegangen.

Im Weiteren folgt eine genaue Untersuchung von Alterungsprozessen welche das Gate Dielektrikum betreffen. Diese sind Hot Carrier Degradation, Dielectric Wearout und Dielectric Breakdown sowie das quantenmechanische Tunneln. Es wird ein neues Modell vorgeschlagen, welches zur numerischen Betrachtung von störstellenunterstütztem Tunneln über mehrere Elektronenfallen dient.

Der Hauptteil dieser Arbeit konzentriert sich auf den Alterungseffekt der Negative Bias Temperature Instability (NBTI). Er führt zur Degradation von MOS Strukturen bei erhöhten Temperaturen und negativen Gate Spannungen. Es werden wissenschaftliche Arbeiten zum Thema NBTI vom ersten Bericht bis zum heutigen Wissensstand präsentiert. Ein umfassendes Modell wird vorgeschlagen, welches Forschungsergebnisse verschiedener Gruppen zusammenfasst und das Degradationsmodell mit den Halbleitergleichungen kombiniert.

Das neue Modell wird mit Messdaten verglichen und liefert exzellente Übereinstimmung. Weiters wird die Anfälligkeit von CMOS Schaltungen, wie dem CMOS Inverter, einer SRAM Zelle und eines Ringoszillators, in kombinierten Bauelement- und Schaltungssimulationen untersucht. Stationäre sowie transiente Simulationen zeigen den Einfluss von NBTI auf diese Schaltungen.