Kurzfassung

Wichtige Hersteller von Mikroprozessoren verbessern seit der Einführung der 90 nm-Technologien die Transporteigenschaften von Silizium durch den Einsatz von Techniken, die mechanische Spannungen im Transistorkanal induzieren. Die gängigsten dieser neuen Techniken, die entweder globale oder lokale Verspannungen am Silizium Wafer einprägen, werden in dieser Arbeit behandelt.

Während sich bisher theoretische Arbeiten fast ausschließlich mit biaxial verspanntem Siliziumsubstrat mit {001} Orientierung beschäftigten, sind die physikalischen Ursachen der Verbesserung der Elektronenbeweglichkeit durch uniaxiale Verspannung noch nicht zur Gänze geklärt. In dieser Arbeit wird der Einfluss allgemeiner homogener Verspannung - beschrieben durch den Spannungstensor $\hat{\varepsilon}$ - auf den Bulk-Transport und die Oberflächenbeweglichkeit von Silizium untersucht. Als Grundlage der Analyse dient die Bandstruktur von verspanntem Silizium, welche einerseits numerisch mittels der nicht-lokalen empirischen Pseudopotentialmethode mit Spin-Bahn Kopplung und andererseits analytisch mit Hilfe der störungstheoretischen kp Methode berechnet wird. Zusätzlich zur Verschiebung der Leitungsbandtäler relativ zueinander läßt sich aus den Berechnungen der Bandstruktur eine Änderung der effektiven Elektronenmassen ableiten. Diese kann auf die Aufhebung der Entartung der zwei untersten Leitungsbänder im X-Punkt zurückgeführt werden, die von einer Scherspannung hervorgerufen wird. Mittels der kp Methode werden auch analytische Gleichungen zur Beschreibung der Massenänderung hergeleitet.

Die Beweglichkeit in verspanntem Silizium wird durch das Lösen der Boltzmanngleichung mit Hilfe einer Monte Carlo Methode berechnet, der sowohl eine analytische Bandbeschreibung als auch die numerisch berechnete Bandstruktur zugrunde gelegt werden kann. Es zeigt sich, dass nur im Fall von kleinen Scherverspannungen (<0.5%) die Beweglichkeit bei niedrigen Feldstärken aus Monte Carlo Simulationen mit einer analytischen Beschreibung der Bandstruktur mit den Simulationsergebnissen übereinstimmen, die die numerische Bandstruktur verwenden. Dies unterstreicht die Wichtigkeit die gesamte Bandstruktur einer genauen Modellierung des Ladungsträgertransports in verspannten Silizium zugrunde zu legen.

Durch das Aufkommen der Hybrid-Orientation Technologie haben die Substratorierungen {110} und {111} an Bedeutung gewonnen. Da eine mechanische Verspannung zu einer Anisotropie der Ladungsträgerbeweglichkeit führt, muss die Verspannung auf die Richtung des Kanals und die Substratoberfläche abgestimmt werden, um den größten Beweglichkeitszuwachs zu erreichen. Um die Auswirkungen der Verspannung auf die Oberflächenbeweglichkeit zu bestimmen, wird die Subbandstruktur durch selbstkonsistentes Lösen der Schrödinger-Gleichung und der Poisson-Gleichung berechnet. Im zweidimensionalen Elektronengas bewirkt die Scherspannung eine energetische Verschiebung der Subbandleitern und eine Änderung der effektiven Massen. Beweglichkeitssimulationen zeigen, dass durch die inhärente Aufspaltung der Subbänder bei starker geometrischer Quantisierung, wie etwa bei Dünnschichttransistoren, die Änderung der effektiven Masse gegenüber der Verschiebung der Subbandleitern an Bedeutung gewinnt.

Des Weiteren wird in dieser Arbeit der Einfluss des Pauli-Verbots auf den Elektronenladungsträgertransport untersucht. Dies ist vor allem im zweidimensionalen Elektronengas von Bedeutung, wo das Fermi-Niveau bei starker Inversion deutlich über dem Minimum des untersten Leitungsbandes liegt.
E. Ungersboeck: Advanced Modelling Aspects of Modern Strained CMOS Technology