Die Leistungsfähigkeit eines MOS-Transistors wird sowohl durch die Kanallänge als
auch durch die Transporteigenschaften des Kanalmaterials bestimmt. Um durch Bauelementskalierung
auch weiterhin einen entsprechend großen Leistungsgewinn erzielen zu können,
werden neuartige Materialien mit einer höheren Beweglichkeit benötigt als etwa mit
herstellungsbedingt verspanntem Silizium erzielt werden kann. Stickstoff wird in sehr
dünne Gateoxide beigemengt um parasitäre Effekte zu eliminieren. In dieser Doktorarbeit
werden Dotierprofile in Materialien mit hoher Beweglichkeit untersucht und die
NBTI-Zuverlässigkeit für eine CMOS-Technologie mit nitridiertem Gateoxid analysiert.
Die Ionenimplantation wird auch weiterhin das wichtigste Verfahren zur Einbringung von Dotierstoffen in Halbleiterwafern sein, um Bauelemente und integrierte Schaltungen (ICs) herzustellen. Die Gründe dafür liegen in der Flexibilität bei der Auswahl der Dotierspezies und des Einbauortes im Bauelement sowie in der genauen Anzahl der implantierten Dotieratome. Die anhaltende Verkleinerung der Sperrschichttiefen und lateralen Abmessungen von MOS-Transistoren haben zu einer Zunahme der Applikationen für die Ionenimplantation in der CMOS-Herstellungstechnik geführt. Ein Beispiel dafür ist die Notwendigkeit von sogenannten Halo-Dotierprofilen zur Unterdrückung des Kurzkanaleffekts. Der physikalische Implantationsprozess kann effektiv am Computer modelliert werden. Genaue Simulationen ermöglichen die Optimierung von Dotierprofilen und eine Verkürzung der Entwicklungszeit für eine neue CMOS-Technologie.
Die Untersuchung von Dotierprofilen für fortgeschrittene CMOS-Applikationen erfolgte mit Hilfe eines Monte-Carlo-Ionenimplantationssimulators, der im Rahmen von mehreren Dissertationen entwickelt wurde. Der dreidimensionale Simulator MCIMPL-II basiert auf der physikalischen BCA-Methode und verwendet das 'universelle' ZBL-Potential. Ein empirisches Modell wird für die elektronische Abbremsung der Ionen verwendet, und die erzeugten Punktdefekte werden mit einem modifizierten Kinchin-Pease-Modell berechnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Simulator verbessert und von kristallinem Silizium auf fortschrittliche Targetmaterialien auf der Basis von experimentellen Ergebnissen erweitert. Bor und Arsen wurden in biaxial verspanntes Silizium, SiGe-Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung, und Germanium innerhalb des Energiebereiches von etwa 1keV bis 60keV implantiert. Die erfolgreiche Kalibrierung des Simulators für diese Materialien wird durch einen Vergleich der vorausgesagten Dotierprofile mit SIMS-Messungen gezeigt. Die Monte Carlo Simulation von Ionenbahnen kann zur Analyse der Auswirkung von Materialeigenschaften und physikalischen Effekten wie Akkumulation von Defekten und Channeling auf die Profile eingesetzt werden. Die wichtigsten Ergebnisse der Untersuchung sind eine Verschiebung zu seichteren Profilen mit zunehmendem Germaniumgehalt in SiGe-Legierungen, die erzeugten Defekte sind in Germanium gegenüber Silizium signifikant reduziert, und die stressbedingte Volumsausdehnung in verspanntem Silizium wirkt sich kaum auf die Profile aus.
Es wird zunehmend schwieriger, die Zuverlässigkeit der mit jeder CMOS-Generation kleiner werdenden Transistoren sicherzustellen. Der NBTI-Effekt in p-MOSFETs, die auf nitridierten Gateoxiden basieren, hat sich als der dominante Degradierungsmechanismus für fortgeschrittene CMOS-Technologien herausgestellt. Als ein weiterer Teil dieser Arbeit wurde eine experimentelle und simulationsbasierte Untersuchung über die durch NBTI hervorgerufene Degradierung der Transistorparameter für eine 90nm-Technologie durchgeführt.
Schließlich wird der verbesserte Monte-Carlo-Ionenimplantationssimulator für die Berechnung von Dotierstoffverteilungen in topologisch komplizierten dreidimensionalen Strukturen angewendet, die aus verspannten oder unverspannten Materialien mit erhöhten Beweglichkeiten bestehen. Die ausgewählten Beispiele demonstrieren das Leistungsvermögen des Simulationswerkzeuges zur Unterstützung der Herstellung von hochentwickelten Bauelementen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Speicherung von Zufallsbitfolgen auf die NBTI-Lebensdauer einer SRAM-Zelle mit Hilfe numerischer Simulationen analysiert. Alle präsentierten Applikationen wurden von der Industrie angefordert oder inspiriert.