Kurzfassung

Der rasant wachsende Markt für Halbleiterbauelemente und die hohen damit verbundenen Fertigungskosten treiben die Miniaturisierung unaufhörlich voran. Fortschritte in Fertigungstechnologien aber auch immer höher werdende Anforderungen an die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Bauelemente führen zu der Entwicklung immer komplexerer Strukturen.

Die Bauelementsimulation hat sich als zwingend notwendiges Werkzeug erwiesen, um das Verhalten von Halbleiterbauelementen vorauszuberechnen. Dadurch wird die Einflussnahme in den frühen Phasen des Fertigungsablaufes ermöglicht. Die meisten der heutzutage durchgeführten Simulationen sind zweidimensional wobei die Geometrie in der dritten Dimension gleichmäßig verlängert angenommen wird. Die dabei in Kauf genommenen Ungenauigkeiten zweidimensionaler Simulationen gegenüber realen Bauelementen beschränken ihre Anwendung auf sehr weite Strukturen.

Mit der Verkleinerung der Strukturgrößen der Bauelemente werden dreidimensionale Effekte verstärkt, wobei den dreidimensionalen Geometrien immer größere Bedeutung zukommt, da sie sich in den elektrischen Eigenschaften der Bauelemente stark bemerkbar machen. Dreidimensionale Simulationen sind aber auch erforderlich, um ein tieferes Verständnis für ihre Arbeitsweise von realen dreidimensionalen Strukturen zu bekommen.

Mit der dreidimensionalen Simulation gehen aber einige Schwierigkeiten einher. Ein sehr wichtiger Aspekt, der sich sofort bemerkbar macht, ist der hohe Rechenaufwand, weshalb geeignete numerische Gleichungslöser benötigt werden, um brauchbare Ergebnisse innerhalb abschätzbarer Simulationszeiten erhalten zu können. Sogar das Erzeugen der Bauelementgeometrien gestaltet sich auf Grund fehlender geeigneter Software-Werkzeuge als schwierig. Die Genauigkeit der numerischen Lösung hängt stark von der Qualität des verwendeten Gitters ab. Die automatische Erzeugung hochqualitativer Gitter ist unerlässlich, da die händische Nachbearbeitung nahezu unmöglich ist. Verschiedene Kriterien und Strategien werden dazu eingehend beleuchtet.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vorhandener zweidimensionaler Bauelementsimulator erweitert, um dreidimensionale Simulationen durchführen zu können. In diesem Zusammenhang wurden alle physikalischen Modelle, die Diskretisierung und die Verwaltung von verteilten physikalischen Größen erweitert, um sowohl zwei- als auch dreidimensionale Simulationen durchführen zu können. Derart komplexe Simulationswerkzeuge für Halbleiterstrukturen erfordern mächtige, flexible, aber zugleich einfach zu bedienende Steuerungsmechanismen. In dieser Arbeit wird eine neuartige objektorientierte Datenbank vorgestellt, die speziell für den Einsatz in technischen Simulationswerkzeugen entwickelt wurde. Diese Datenbank wird verwendet, um die während der Simulation benötigten, hierarchisch strukturierten Daten wie Material- und Modellparameter oder auch die Definition von Schaltungen zu verwalten. Die Datenbank wird zur Steuerung des Simulators in jeder Phase der Simulation verwendet. Speziell für dreidimensionale Simulationen, deren Rechenaufwand schwer abgeschätzt werden kann, wurde ein interaktiver Modus entwickelt, der das Verändern von Parametern während der Laufzeit ermöglicht.

Verschiedene modernste Strukturen wurden mit Hilfe dreidimensionaler Simulation untersucht und Ergebnissen aus vergleichbaren zweidimensionalen Simulationen gegenüber gestellt was die Notwendigkeit der dreidimensionalen Simulationen beweist.