Quantum-mechanical modeling of transport parameters for MOS devices
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Date
2005
Publication Type
Doctoral Thesis
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Abstract
The ongoing evolution of integrated circuits is based on the miniaturization of the individual devices. Typical feature sizes that are routinely implemented by today's manufacturing technology already belong to the domain of quantum effects. While this poses additional Problems for traditional device concepts it also paves the road towards new functional principles. For assessing either aspects, appropriate models are needed for Simulators, which have become an important tool in both device and process engineering. Topic of this thesis are the implications of quantizationon transport parameters in drift-diffusion-based numerical descriptions of semiconduetor devices. For these investigations the device simulaton Software DESSIS-ise was used, especially its enhancements to model quantum effects. These comprise a self-consistent Schrödinger-Poisson solver for one-dimensional quantization effects and the quantum drift diffusion (QDD) model. In the first part of this work, the QDD model is applied to tunneling through MOS gate oxides and double barrier devices. For both structures the "tunneling" characteristics exhibit regions of negative differential resistance which was identified as a modeling artifact. These results indicate that the QDD description of tunneling is of only very limited use. The second part deals with the modeling of Shockley-Read-Hall (SRH) recombination which is enabled by multiphonon processes between bands and deep trap levels in the gap of the semiconductor in the presence of quantization. The corresponding density of states which is used in the description of the carrier densities must also be applied to the SRH~lifetimes,i.e. these have to account for an additional energetic separation from the trap levels. This in turn causes a corresponding change in the SRH rate with respect to the usual semi-classical description. The third part is devoted to modeling of the drift mobility in MOS Channels. The main focus is put onto Coulomb scattering at ionized impurities located in the substrate as well as in the polysilicon gate. The influence from the latter is commonlynamed "remote charge scattering" (RCS) and suspected of contributing to the mobility degradation observed in thin-oxide devices. However, in the treatment presented here, which includes screening by mobile charge in the gate, RCS was found not to have a great impact. Die fortdauernde Entwicklung von integrierten Schaltungen basiert auf der stetigen Miniaturisierung des einzelnen Bauelements. Die mit heutigen Herstellungsverfahren routinemässig realisierten Strukturgrössen gehören bereits zum Einflussbereich quantenmechanischer Effekte. Dies bedeutet zum einen weitere Probleme für die Konzeption herkömmlicher Schaltungsbausteine, auf der anderen Seite eröffnet es aber auch Wege zu neuen Funktionsprinzipien.Zur Bewertung beider Aspekte werden Modellefür den Einsatz in Simulatoren benötigt, welche ein wichtiges Werkzeugfür sowohl Bauelement-als auch Prozessentwicklung geworden sind. Thema dieser Arbeit sind die Auswirkungen der Quantisierung auf Transportparameter in einer Drift-Diffusions-basierten, numerischen Nachbildung von Halbleiterbauelementen. Zu diesem Zweck wurde der Bauelementsimulator DESSIS_ise verwendet, insbesondere die Erweiterungen zur Modellierung von Quanteneffekten,die ein selbstkonsistentes Verfahren zur Lösung der Schrödinger-und der Poisson-Gleichung für Quantisierung in einer Dimension und ein Quanten-Drift-Diffusions (QDD) Modell umfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das QDD-Modell zur Beschreibung des Tunnelns durch MOS Gate-Oxide und Doppelbarrieren eingesetzt. Für beide Strukturen weisen die Tunnelkennlinien Abschnitte mit einem negativen differentiellen Widerstand auf, der als Artefakt des Modells identifiziert wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die QDD-Beschreibungdes Tunnelns nur von sehr begrenztem Nutzen ist. Der zweiteTeil beschäftigt sich mit der Modellierung der Shockley-Read-Hall (SRH) Rekombination - welche durch Multiphononenprozesse zwischen den Bändern und tiefen Haftstellen in der Bandlücke des Halbleiters zustandekommt in der Gegenwart von Quantisierung. Falls die entsprechende Zustandsdichte in konsistenter Weise sowohl zur Beschreibung der Ladungsträgerdichten als auch der SRH-Lebensdauern verwendetwird, so müssen letztere ebenso einen zusätzlichen energetischen Abstand zu den Haftstellenniveaus widerspiegeln. Dieses wiederum bedingt eine entsprechende Änderung der SRH-Rate gegenüberder üblichen semiklassischen Beschreibung. Der dritte Teil ist der Modellierung der Driftbeweglichkeit in MOS Kanälen gewidmet.Das Hauptaugenmerk liegt auf der Coulombstreuung an ionisierten Störstellen, die sich sowohl im Substrat als auch im Polysilizium-Gatebefinden. Der Einfluss letzterer wird allgemein als "remote charge scattering" (RCS) bezeichnet und es wird vermutet, dass er zu einer Beweglichkeitsverschlechterung beiträgt, die in Bauelementen mit dünnen Oxiden beobachtet wird. In der hier vorgestellten Betrachtung, die die Abschirmung durch bewegliche Ladungsträger im Gate einschliesst, wurdeje doch festgestellt, dass RCS keinen grossen Einfluss hat.
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Examiner : Fichtner, Wolfgang
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ETH
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Subject
NUMERISCHE SIMULATION UND MATHEMATISCHE MODELLRECHNUNG; NUMERICAL SIMULATION AND MATHEMATICAL MODELING; METAL OXIDE SEMICONDUCTOR-TRANSISTOREN, MOS (ELEKTRONIK); ELECTRON TRANSPORT (CONDENSED-MATTER PHYSICS); METAL OXIDE SEMICONDUCTOR TRANSISTORS, MOS (ELECTRONICS); ELEKTRONISCHE TRANSPORTPROZESSE (PHYSIK DER KONDENSIERTEN MATERIE)
Organisational unit
03228 - Fichtner, Wolfgang (emeritus)