Miniaturization problems in CMOS technology: Investigation of doping profiles and reliability

Abstract

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.<br />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 Untersuchung von Dotierprofilen für fortgeschrittene CMOS-Applikationen erfolgte mit Hilfe eines Monte-Carlo-Ionenimplantationssimulators. Der dreidimensionale Simulator 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. 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.<br />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.<br />

The MOS transistor performance depends on both the channel length and the carrier transport properties of the channel material.<br />Novel materials with higher carrier mobilities beyond the achievable limits of process-induced strained silicon are required to facilitate continued commensurate device scaling. Nitrogen is incorporated into ultra-thin gate oxides to eliminate parasitic effects. In this thesis, doping profiles in high-mobility materials are investigated and the NBTI reliability is analyzed for a CMOS technology with nitrided gate oxide.<br />Ion implantation will continue to be the primary technology for introducing dopant atoms into semiconductor wafers to form devices and integrated circuits (ICs). The investigation of doping profiles for advanced CMOS applications has been carried out with a Monte Carlo ion implantation simulator. The three-dimensional simulator is based on the physical BCA approach and uses the universal ZBL potential. An empirical model is used for the electronic stopping of ions and the generated point defects are calculated by a modified Kinchin-Pease model. As part of this work, the simulator has been improved and extended from crystalline silicon to advanced target materials on the basis of experimental results. Boron and arsenic were implanted into biaxially strained silicon, SiGe layers of different composition, and germanium within the energy range from about 1keV to 60keV. The successful calibration of the simulator for these materials is demonstrated by comparison of predicted doping profiles with SIMS measurements. The Monte Carlo simulation of ion trajectories is useful to analyze the impact of material properties and physical effects like damage accumulation and channeling on the profiles. The main results of the investigation are a shift to shallower profiles with increasing Ge content in SiGe alloys, the produced point defects are significantly reduced in germanium compared to silicon, and the stress-induced volume dilation in strained silicon has almost no influence on the profiles.<br />The negative bias temperature instability (NBTI) effect in p-MOSFETs based on nitrided gate oxides has emerged as the dominant degradation mechanism for advanced CMOS technologies. As another part of this work, an experimental and simulation study for NBTI induced device parameter degradation was performed for a 90nm technology. Finally, the improved Monte Carlo ion implantation simulator is applied for the calculation of dopant distributions in topological complex three-dimensional structures, composed of strained or relaxed enhanced mobility materials.<br />The selected examples demonstrate the capabilities of the simulation tool to facilitate the processing of advanced devices. Furthermore, the impact of storing random bit sequences on the NBTI lifetime of an SRAM cell is analyzed by numerical simulations. All presented applications were requested or inspired by industry.