Electron Mobility Enhancement in Strained Silicon

The rapid increase in computational power and speed of integrated circuits is supported by the aggressive size reduction of semiconductor devices. With scaling apparently approaching its fundamental limits, the semiconductor industry is facing critical challenges. New engineering solutions and innovative techniques are required to improve CMOS device performance. Stress induced mobility enhancement is the most attractive solution to increase the device speed and certainly takes a key position among other technological changes for the new technology generations. In addition, novel device architectures based on multi-gate structures with better electrostatic channel control and reduced short channel effects are developed. A comprehensive analysis of transport in multi-gate MOSFETs under general stress conditions is required for analyzing the enhancement of device performance. Besides the biaxial stress obtained by epitaxially growing silicon on a silicon-germanium substrate, modern techniques allow the generation of large uniaxial stress along the [110] channel. Stress in this direction induces significant shear lattice distortion. The influence of the shear distortion on the conduction band structure has not yet been carefully analyzed.
In this project the modification of the conduction band structure due to the shear stress has been theoretically investigated. A perturbation expansion of the Hamiltonian for the deformed lattice was derived. Based on this expansion, analytical expressions for the relative shift between the conduction band valleys and the effective mass change due to the shear stress components were obtained. Results of analytical calculations for the band structure have been verified against results obtained by the empirical pseudo-potential calculations and density-functional calculations (performed with VASP). The conductivity mass in the lowest valleys decreases along the [110] direction of tensile stress providing significant mobility enhancement. Analytical expressions for the band structure of strained silicon have been embedded into an existing Monte Carlo transport simulator. Accurate transport modeling in bulk silicon, in surface inversion layers, and thin silicon films for general strain conditions and arbitrary substrate orientations has been performed. The analytical band structure model enables efficient simulations of conventional and future multi-gate MOSFET architectures and allows the optimization of MOSFET performance under general stress conditions.

Die rasche Steigerung der Rechenleistung und Geschwindigkeit von integrierten Schaltkreisen wird unterstützt durch die aggressive Größenreduktion der Halbleiterbauelemente. Das nahende Ende der Bauteilskalierung, durch Erreichen fundamentaler physikalischer Grenzen, stellt die Halbleiterindustrie vor kritische Herausforderungen. Neue konstruktive Lösungen und innovative Techniken werden benötigt, um die Leistung von CMOS-Transistoren weiter zu steigern. Durch mechanische Verspannung induzierte Beweglichkeitsserhöhung stellt die attraktivste Möglichkeit dar, die Bauteilgeschwindikeit zu erhöhen und nimmt eine Schlüsselposition unter den möglichen technischen Verbesserungen für zukünftige Technologiegenerationen ein. Zusätzlich werden neue Bauteilarchitekturen basierend auf Multi-Gate-Strukturen mit besserer elektrostatischer Kontrolle und reduzierten Kurzkanaleffekten entwickelt. Eine umfassende Analyse des Ladungstransportes in Multi-Gate-MOSFETs unter beliebigen Verspannungen wird benötigt, um die Leistungssteigerung dieser Bauteile zu verstehen. Neben der biaxialen Verspannung, erzielt durch epitaxial aufgewachsenes Silizium auf einem Silizum-Germanium Substrat, erlauben aktuelle Techniken große uniaxiale Verspannungen entlang des [110]-Kanals. Verspannungen entlang dieser Richtung generieren signifikante Scher­gitterverzerrungen. Der Einfluss dieser Scherverformung auf die Bandstruktur des Leitungsbandes wurde bisher noch nicht sorgfältig analysiert.
In diesem Projekt wurde die Modifikation des Leitungsbandes unter Scherspannung mit Hilfe theoretischer Mittel erforscht. Ein Hamilton-Operator für das verformte Gitter, basierend auf der Entwicklung nach kleinen Störungen, wurde abgeleitet. Ausgehend von dieser Entwicklung wurden analytische Ausdrücke für die relative Verschiebung zwischen den Leitungsbandtälern und der effektiven Massenänderung durch die Scher­spannungskomponente abgeleitet. Die Ergebnisse des analytischen Models für die Bandstruktur wurden durch Vergleich mit der Bandstruktur aus empirischen Pseudo­potentialberechnungen verifiziert. Die effektive Leitungsbandmasse in den Tälern mit geringster Energie verringert sich entlang der [110]-Richtung unter tensiler Verspannung und stellt damit eine signifikante Erhöhung der Beweglichkeit bereit. Die entsprechenden analytischen Ausdrücke wurden in einen bestehenden auf der Monte Carlo-Methode basierenden Transportsimulator implementiert. Die präzise Transportmodellierung in Bulksilizium, in Oberflächen­inversionsschichten und dünnen Siliziumschichten für beliebige Verspannungen als auch Substratorientierungen wurde damit gezeigt. Das analytische Bandstrukturmodel erlaubt eine effiziente Simulation von sowohl konventionellen als auch zukünftigen Multi-Gate-MOSFET-Architekturen und ermöglicht die weitere Optimierung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs für allgemeine Verspannungsbedingungen.