Title: Analytical mobility models for strained silicon-based devices
Language: input.forms.value-pairs.iso-languages.en
Authors: Dhar, Siddhartha ItemCrisRefDisplayStrategy.rp.student.icon
Qualification level: Doctoral
Advisor: Kosina, Hans
Assisting Advisor: Magerl, Gottfried
Issue Date: 2007
Citation: 
Dhar, S. (2007). Analytical mobility models for strained silicon-based devices [Dissertation]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2007.9404
Number of Pages: 119
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Verspanntes Silizium wird in der Halbleiterindustrie eingesetzt um neue CMOS Technologien für integrierte Schaltungen höchster Taktrate zu entwickeln. Die Verspannung des Halbleiters erhöht die Beweglichkeit der freien Ladungsträger. Der Entwurf elektronischer Bauelemente basierend auf verspanntem Silizium erfordert Modelle, welche die Voraussage der Effekte uniachsialer, biachsialer und auch allgemeiner Verspannungen des Kristallgitters ermöglichen.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Verspannungen auf die Elektronenbeweglichkeit. Die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung verspannter Halbleiter werden in dieser Arbeit rekapituliert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Herleitung analytischer Beweglichkeitsmodelle unter Berücksichtigung aller relevanten physikalischen Effekte, welche die Verspannung hervorruft. Numerische Bandstruktur-Berechnungen zeigen eine Aufspaltung der Leitungsband-Täler durch Verspannung, und im Besonderen eine Deformierung der Bandminima durch Scherspannung. Im Zuge der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein Niedrigfeldmodell für die Bulk-Beweglichkeit von Elektronen in beliebig verspanntem Silizium entwickelt. Dieses Kompaktmodell berücksichtigt die Aufspaltung der Leitungsband-Täler, die Streuung zwischen den Tälern sowie die Beweglichkeitsreduktion durch die Dotierung.
Die Zwischental-Streuung wurde mit Hilfe der Gleichgewichtsverteilung des Elektronengases und der Talaufspaltung für einen gegebenen Verspannungstensor modelliert. Die Abhängigkeit der effektiven Massen von der Scherspannung wird berücksichtigt. Des weiteren wurde dieses Modell auch für verspanntes Germanium adaptiert. Das Bulk-Beweglichkeitsmodell für verspanntes Silizium wurde mit einem vorhandenen Modell für die Oberflächenbeweglichkeit gekoppelt. Mittels Voll-Band Monte Carlo Simulationen wurde der elektronentransport in verspanntem Silizium bei hohen Feldstärken untersucht. Es wurde ein empirisches Beweglichkeitsmodell entwickelt, welches die Abhängigkeit der zum angelegten Feld parallelen und orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten von der Feldstärke und der durch die Verspannung bewirkten Talaufspaltung beschreibt. Die Gültigkeit dieses Hochfeldmodells beschränkt sich auf jene Spannungszustände, welche nur ein Paar von X-Tälern energetisch verschieben, jedoch die Entartung der vier verbleibenden Täler nicht aufhebt. Beispiele hierfür sind biachsiale und uniachsiale Verspannungen in den {100} Richtungen von Silizium.
Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Beweglichkeitsmodelle wurden in den Bauelemente-Simulator MINIMOS-NT implementiert. Mit Hilfe des Simulators wurde eine neuartige Transistor-Architektur, bestehend aus einer verspanntem Silizium-Brücke, die auf einem Germanium Quantenpunkt gewachsen wird, untersucht. Diese sogenannte DOTFET Struktur kombiniert die Vorteile von Verspannungen mit jenen der SOI Technologie. Eine Schnittstelle zum Einlesen einer Spannungsverteilung in den Simulator wurde entwickelt. Die numerischen Simulationen des DOTFET lassen auf eine signifikante Erhöhung des Drainstromes im linearen Bereich sowie auf eine moderate Verbesserung des Sättigungsstromes schließen.

Semiconductor industry has adopted strain engineering for the development of upcoming CMOS technologies for high-speed digital integrated circuits. Strain is introduced as a means to enhance the carrier mobilities in semiconductors. For designing strained Si based device structures, comprehensive models are essential which can estimate the effect of biaxial or uniaxial as well as any other strain configuration on the electron mobility.
This thesis focuses on the effect of strain on electron mobility in Si.
Various mechanisms of generating strain have been reviewed in this work. The goal is to develop analytical models that describe the electron mobility, taking into account all the relevant physical modifications that arise due to straining Si. In particular, band structure calculations indicate a splitting of the conduction band valleys and, in the presence of shear strain, an additional deformation of the band minima. A low-field bulk electron mobility model has been developed for Si under arbitrary stress conditions. The analytical model includes the effect of strain-induced splitting of the conduction band valleys, inter-valley scattering, and doping dependence. Inter-valley scattering is modeled based on the equilibrium electron distribution and the valley splitting for a given strain tensor. The model is extended to account for the variation of the effective mass of the $\Delta_2$-valleys with shear strain. The model is also adapted to obtain the bulk mobilities in strained Ge. The bulk mobility model for strained Si is coupled together with an existing surface mobility model for obtaining the inversion layer mobility. The electron transport in strained Si at high electric-field is investigated using full-band Monte Carlo simulations. A strain-dependent empirical mobility model has been developed that describes the velocity components parallel and perpendicular to the electric field as a function of the strain-induced valley splitting for high electric field. The high-field model is restricted to such strain conditions where only one pair of X-valleys is shifted and four valleys remain degenerate. These conditions include biaxial stress and uniaxial stress applied along the {100} axes of Si.
The models have been implemented in the general purpose device simulator, MINIMOS-NT. The simulator has been used to perform drift-diffusion based device simulations. A novel device structure comprising of a strained Si bridge grown on a Ge quantum dot is investigated. The so called dotFET structure combines the advantages of strain and SOI technology. An interface was set-up to read in the strain distribution on the dotFET into the device simulator. Simulation results suggest a significant improvement in the linear drain current and a moderate improvement in the saturation current.
Keywords: Beweglichkeitsmodelle; verspanntes Silizium; Elektronen Beweglichkeit; Technologie CAD; Bauelemente Simulation; CMOS Technologie; MOSFET; Nichlinearer Elektronen Transport; Scherspannung
Mobility model; Strained Si; Electron Mobility; Technology CAD; Device
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2007.9404
http://hdl.handle.net/20.500.12708/20399
DOI: 10.34726/hss.2007.9404
Library ID: AC05035337
Organisation: E360 - Institut für Mikroelektronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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