Esta Tese apresenta os resultados da simulação do transporte eletrônico em três dimensões (3D) no nano dispositivo eletrônico conhecido como “SOI-FinFET”. Este dispositivo é um transistor MOS em tecnologia Silício sobre Isolante – “Silicon-on- Insulator”, SOI – com porta dupla e cujo canal e zonas de fonte e dreno são realizadas em uma estrutura nanométrica vertical de silício chamada de “finger” ou “fin”. Como introdução ao dispositivo em questão, é feita uma revisão básica sobre a tecnologia e transistores SOI e sobre MOSFETs de múltiplas portas. A implementação de um modelo tipo “charge-sheet” para o transistor SOI-MOSFET totalmente depletado e uma modelagem deste dispositivo em altas frequências também é apresentada. A geometria do “fin” é escalada para valores menores do que 100 nm, com uma espessura entre 10 e 20 nm. Um dos objetivos deste trabalho é a definição de parâmetros para o SOI-FinFET que o viabilizem para a tecnologia de 22 nm, com um comprimento efetivo de canal menor do que 20 nm. O transistor FinFET e uma estrutura básica simplificada para simulação numérica em 3D são descritos, sendo utilizados dados de tecnologias atuais de fabricação. São apresentados resultados de simulação numérica 3D (curvas ID-VG, ID-VD, etc.) evidenciando as principais características de funcionamento do FinFET. É analisada a influência da espessura e dopagem do “fin” e do comprimento físico do canal em parâmetros importantes como a tensão de limiar e a inclinação de sublimiar. São consideradas e analisadas duas possibilidades de dopagens da área ativa do “fin”: (1) o caso em que esta pode ser considerada não dopada, sendo baixíssima a probabilidade da presença de dopantes ativos, e (2) o caso de um alto número de dopantes ativos (> 10 é provável). Uma comparação entre dois simuladores numéricos 3D de dispositivos é realizada no intuito de explicitar diferenças entre modelos de simulação e características de descrição de estruturas 3D. São apresentadas e analisadas medidas em dispositivos FinFET experimentais. Dois métodos de extração de resistência série parasita são utilizados em FinFETs simulados e caracterizados experimentalmente. Para finalizar, são resumidas as principais conclusões deste trabalho e são propostos os trabalhos futuros e novas diretivas na pesquisa dos transistores FinFETs. / This thesis presents the results of 3D-numerical simulation of electron transport in double-gate SOI-FinFETs in the decanometer size range. A basic review on the SOI technology and multiple gates MOSFETs is presented. The implementation of a chargesheet model for the fully-depleted SOI-MOSFET and a high frequency modeling of this device are first presented for a planar device topology. The second part of this work deals with FinFETs, a non-planar topology. The geometry of the silicon nano-wire (or “fin”) in this thesis is scaled down well below 100 nm, with fin thickness in the range of 10 to 20 nm. This work addresses the parameters for a viable 22 nm CMOS node, with electrical effective channel lengths below 20 nm. The basic 3D structure of the FinFET transistor is described in detail, then it is simulated with various device structural parameters, and results of 3D-numerical simulation (ID-VG curves, ID-VD, etc.), showing the main features of operation of this device, are presented. The impacts of varying silicon fin thicknesses, physical channel lengths, and silicon fin doping concentration on both the average threshold voltage and the subthreshold slope are investigated. With respect to the doping concentration, the discrete and highly statistical nature of impurity presence in the active area of the nanometer-range fin is considered in two limiting cases: (1) the zero-doping or undoped case, for highly improbable presence of active dopants, and (2) the many-dopants case, or high number (> 10 are probable) of active dopants in the device channel. A comparison between two 3D-numerical device simulators is performed in order to clarify differences between simulation models and features of the description of 3D structures. A structure for SOIFinFETs is optimized, for the undoped fin, showing its applicability for devices with electrical effective channel lengths below 20 nm. SOI-FinFET measurements were performed on experimental devices, analyzed and compared to device simulation results. This thesis uses parasitic resistance extraction methods that are tested in FinFET simulations and measurements. Finally, the main conclusions of this work are summarized and the future work and new directions in the FinFETs research are proposed.

Esta Tese apresenta os resultados da simulação do transporte eletrônico em três dimensões (3D) no nano dispositivo eletrônico conhecido como “SOI-FinFET”. Este dispositivo é um transistor MOS em tecnologia Silício sobre Isolante – “Silicon-on- Insulator”, SOI – com porta dupla e cujo canal e zonas de fonte e dreno são realizadas em uma estrutura nanométrica vertical de silício chamada de “finger” ou “fin”. Como introdução ao dispositivo em questão, é feita uma revisão básica sobre a tecnologia e transistores SOI e sobre MOSFETs de múltiplas portas. A implementação de um modelo tipo “charge-sheet” para o transistor SOI-MOSFET totalmente depletado e uma modelagem deste dispositivo em altas frequências também é apresentada. A geometria do “fin” é escalada para valores menores do que 100 nm, com uma espessura entre 10 e 20 nm. Um dos objetivos deste trabalho é a definição de parâmetros para o SOI-FinFET que o viabilizem para a tecnologia de 22 nm, com um comprimento efetivo de canal menor do que 20 nm. O transistor FinFET e uma estrutura básica simplificada para simulação numérica em 3D são descritos, sendo utilizados dados de tecnologias atuais de fabricação. São apresentados resultados de simulação numérica 3D (curvas ID-VG, ID-VD, etc.) evidenciando as principais características de funcionamento do FinFET. É analisada a influência da espessura e dopagem do “fin” e do comprimento físico do canal em parâmetros importantes como a tensão de limiar e a inclinação de sublimiar. São consideradas e analisadas duas possibilidades de dopagens da área ativa do “fin”: (1) o caso em que esta pode ser considerada não dopada, sendo baixíssima a probabilidade da presença de dopantes ativos, e (2) o caso de um alto número de dopantes ativos (> 10 é provável). Uma comparação entre dois simuladores numéricos 3D de dispositivos é realizada no intuito de explicitar diferenças entre modelos de simulação e características de descrição de estruturas 3D. São apresentadas e analisadas medidas em dispositivos FinFET experimentais. Dois métodos de extração de resistência série parasita são utilizados em FinFETs simulados e caracterizados experimentalmente. Para finalizar, são resumidas as principais conclusões deste trabalho e são propostos os trabalhos futuros e novas diretivas na pesquisa dos transistores FinFETs. / This thesis presents the results of 3D-numerical simulation of electron transport in double-gate SOI-FinFETs in the decanometer size range. A basic review on the SOI technology and multiple gates MOSFETs is presented. The implementation of a chargesheet model for the fully-depleted SOI-MOSFET and a high frequency modeling of this device are first presented for a planar device topology. The second part of this work deals with FinFETs, a non-planar topology. The geometry of the silicon nano-wire (or “fin”) in this thesis is scaled down well below 100 nm, with fin thickness in the range of 10 to 20 nm. This work addresses the parameters for a viable 22 nm CMOS node, with electrical effective channel lengths below 20 nm. The basic 3D structure of the FinFET transistor is described in detail, then it is simulated with various device structural parameters, and results of 3D-numerical simulation (ID-VG curves, ID-VD, etc.), showing the main features of operation of this device, are presented. The impacts of varying silicon fin thicknesses, physical channel lengths, and silicon fin doping concentration on both the average threshold voltage and the subthreshold slope are investigated. With respect to the doping concentration, the discrete and highly statistical nature of impurity presence in the active area of the nanometer-range fin is considered in two limiting cases: (1) the zero-doping or undoped case, for highly improbable presence of active dopants, and (2) the many-dopants case, or high number (> 10 are probable) of active dopants in the device channel. A comparison between two 3D-numerical device simulators is performed in order to clarify differences between simulation models and features of the description of 3D structures. A structure for SOIFinFETs is optimized, for the undoped fin, showing its applicability for devices with electrical effective channel lengths below 20 nm. SOI-FinFET measurements were performed on experimental devices, analyzed and compared to device simulation results. This thesis uses parasitic resistance extraction methods that are tested in FinFET simulations and measurements. Finally, the main conclusions of this work are summarized and the future work and new directions in the FinFETs research are proposed.

Electronics industry has been developing at a tremendous rate for last five decades and currently is one of the biggest industries in the world. The key to the rapid growth of electronics industry is innovation that made possible the constant scaling of transistors with reduced cost and improved performance. Scaling transistors were simpler at the beginning, but currently as the gate length of transistors has reached few nanometers, different short channel effects have emerged and power density of transistors has also increased drastically, which made further scaling much more challenging. To study electro-thermal transport in these reduced dimensionality devices, continuum models are no longer sufficient. In this work, the electrical and thermal transport properties have been modeled by solving Boltzmann Transport Equation (BTE) for electrons and phonons, respectively, using the Monte Carlo (MC) technique. To solve BTE for the phonons, a coupled Molecular Mechanics-Monte Carlo approach is employed where phonon band-structure is obtained using the atomistic modified Valence Force Field (VFF) model and is coupled with a Monte Carlo Phonon Transport kernel which solves the BTE for phonons. The phonon-phonon scattering is modeled in relaxation time approximation (RTA) using Holland’s formalism. Diffusive boundary scattering for phonons has been modeled using the Beckmann-Kirchhoff (B-K) surface roughness scattering model taking into account the effects of phonon wavelength, incident angles and degree of surface roughness. The effect of rough surface on longitudinal acoustic (LA) and transverse acoustic (TA) phonon branches has been studied with the help of the B-K model and it has been found that, at elevated temperatures, there is less backscattering to the LA branch due to rough surface. Effort has been made then to couple the developed phonon Monte Carlo transport simulator with an electron Monte Carlo transport simulator to study the origin and effects of self-heating in a nanoscale field-effect transistor (FET). In contrast to the widely used continuum model, where Fourier heat diffusion equation is usually solved to describe the thermal transport, the simulator developed in this dissertation treats both the electrons and the phonons at the particle level. Acoustic and intervalley g and f type electron-phonon scattering mechanisms are considered and the resulting local temperature modification has been used to bridge the electron and phonon transport paths. Phonon transport at the oxide-silicon interface has been modeled using the Diffuse Mismatch (DM) model, whereas, the phonons in the oxide have been described using the Debye model and temperature and frequency dependent relaxation time. The simulator is then benchmarked and used to study the electron-phonon transport processes in a FinFET device with a gate length of 18 nm, channel width of 4 nm, and a fin height of 8 nm. Preliminary results show that there can be a current degradation of as high as ~9.56% due to self-heating effect. Also, temperature in the entire channel region could rise due to self-heating. The maximum temperature rise in the channel region is found to be ~30K.

<div>With the growing popularity and use of devices under the great umbrella that is the Internet of Things (IoT), the need for devices that are smaller, faster, cheaper and require less power is at an all time high with no intentions of slowing down. This is why many current research efforts are very focused on energy harvesting. Energy harvesting is the process of storing energy from external and ambient sources and delivering a small amount of power to low power IoT devices such as wireless sensors or wearable electronics. A charge pumps is a circuit used to convert a power supply to a higher or lower voltage depending on the specific application. Charge pumps are generally seen in memory design as a verity of power supplies are required for the newer memory technologies. Charge pumps can be also be designed for low voltage operation and can convert a smaller energy harvesting voltage level output to one that may be needed for the IoT device to operate. In this work, an integrated FinFET (Field Effect Transistor) charge pump for low power energy harvesting applications is proposed.</div><div><br></div><div>The design and analysis of this system was conducted using Cadence Virtuoso Schematic L-Editing, Analog Design Environment and Spectre Circuit Simulator tools using the 7nm FinFETs from the ASAP7 7nm PDK. The research conducted here takes advantage of some inherent characteristics that are present in FinFET technologies, including low body effects, and faster switching speeds, lower threshold voltage and lower power consumption. The lower threshold voltage of the FinFET is key to get great performance at lower supply voltages.</div><div><br></div><div>The charge pump in this work is designed to pump a 150mV power supply, generated from an energy harvester, to a regulated 650mV, while supplying 1uA of load current, with a 20mV voltage ripple in steady state (SS) operation. At these conditions, the systems power consumption is 4.85uW and is 31.76% efficient. Under no loading conditions, the charge pump reaches SS operation in 50us, giving it the fastest rise time of the compared state of the art efforts mentioned in this work. The minimum power supply voltage for the system to function is 93mV where it gives a regulated output voltage of 425mV.</div><div><br></div><div>FinFET technology continues to be a very popular design choice and even though it has been in production since Intel's Ivy-Bridge processor in 2012, it seems that very few efforts have been made to use the advantages of FinFETs for charge pump design. This work shows though simulation that FinFET charge pumps can match the performance of charge pumps implemented in other technologies and should be considered for low power designs such as energy harvesting.</div>

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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Berechnung und Optimierung von Silicon-On-Insulator-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors, einschließlich noch nicht in Massenproduktion hergestellter neuartiger Transistorarchitekturen für die nächsten Technologiegenerationen der hochleistungsfähigen Logik-MOSFETs mit Hilfe der Prozess- und Bauelementesimulation. Die neuartigen Transistorarchitekturen umfassen dabei vollständig verarmte SOI-MOSFETs, Doppel-Gate-Transistoren und FinFETs. Die statische und dynamische Leistungsfähigkeit der neuartigen Transistoren wird durch Simulation bestimmt und miteinander verglichen. Der mit weiterer Skalierung steigende Einfluss von statistischen Variationen wird anhand der Oberflächenrauheit sowie der Polykantenrauheit untersucht. Zu diesem Zweck wurden Modelle für die Generierung der Rauheit erarbeitet und in das Programmsystem SIMBA implementiert. Die mikroskopische Rauheit wird mit der makroskopischen Bauelementesimulation kombiniert und deren Auswirkungen auf die Standardtransistoren und skalierte Bauelemente aufgezeigt. Zudem erfolgt eine ausführliche Diskussion der Modellierung mechanischer Verspannung und deren Anwendung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs. Die in SIMBA implementierten Modelle zur verspannungs-abhängigen Änderung der Ladungsträgerbeweglichkeit und Lage der Bandkanten werden ausführlich dargestellt und deren Einfluss auf die elektrischen Parameter von MOSFETs untersucht. Weiterhin wird die Verspannungsverteilung für verschiedene Herstellungsvarianten mittels der Prozess-simulation berechnet und die Wirkung auf die elektrischen Parameter dargestellt. Exponential- und Gaußverteilungsfunktionen bilden die Grundlage, um die mechanische Verspannung in der Bauelementesimulation nachzubilden, ohne die Verspannungsprofile aus der Prozesssimulation zu übernehmen. Darüber hinaus werden die Grenzfrequenzen der Logiktransistoren in Bezug auf die parasitären Kapazitäten und Widerstände und zur erweiterten MOSFET-Charakterisierung dargestellt.

Une des principales solutions technologiques liées à la réduction d’échelle de la technologie CMOS est aujourd’hui clairement orientée vers les transistors MOSFET faiblement dopés à multiples grilles. Ceux-ci proposent une meilleure immunité contre les effets canaux courts comparés aux transistors MOSFET bulk planaires (cf. ITRS 2011). Parmi les MOSFETs à multiples grilles, le transistor FinFET SOI est un candidat intéressant de par la similarité de son processus de fabrication avec la technologie des transistors planaires. En parallèle, il existe une réelle attente de la part des concepteurs et des fonderies à disposer de modèles compacts efficaces numériquement, précis et proches de la physique, insérés dans les « design tools » permettant alors d’étudier et d’élaborer des circuits ambitieux en technologie FinFET. Cette thèse porte sur l’élaboration d’un modèle compact orienté conception du transistor FinFET valide aux dimensions nanométriques. Ce modèle prend en compte les effets canaux courts, la modulation de longueur de canal, la dégradation de la mobilité, leseffets de mécanique quantique et les transcapacités. Une validation de ce modèle est réalisée par des comparaisons avec des simulations TCAD 3D. Le modèle compact est implémenté en langage Verilog-A afin de simuler des circuits innovants à base de transistors FinFET. Une modélisation niveau-porte est développée pour la simulation de circuits numériques complexes. Cette thèse présente également un modèle compact générique de transistors MOSFET SOI canaux long faiblement dopés à multiple grilles. La dépendance à la température est prise en compte. Selon un concept de transformation géométrique, notre modèle compact du transistor MOSFET double grille planaire est étendu pour s’appliquer à tout autre type de transistor MOSFET à multiple grille (MuGFET). Une validation expérimentale du modèle MuGFET sur un transistor triple grille est proposée. Cette thèse apporte enfin des solutions pour la modélisation des transistors MOSFET double grille sans jonction. / One of the main technological solutions related to downscaling of CMOS technology is now clearly oriented to lightly doped multigate MOSFETs. They offer better immunity against short channel effects compared to planar bulk MOSFETs (see ITRS 2011). Among the multigate MOSFETs, the SOI FinFET transistor is an interesting candidate because of the similarity of its manufacturing process with the planar transistor technology. In parallel, there is a real expectation on the part of designers and foundries to have compact models numerically efficient, accurate and close to the physics, and then inserted in to the design tools in order to study and develop ambitious circuits in FinFET technology. This thesis focuses on the development of a design-oriented compact model of FinFET transistor valid to nanoscale dimensions. This model takes into account the short channel effects, the channel length modulation, the mobility degradation, the quantum mechanic effects and the transcapacitances. A validation of this model is carried out by comparisons with 3DTCAD simulations. The compact model is implemented in Verilog-A to simulate innovative FinFET-based circuits. A gate-level modeling is developed for the simulation of complex digital circuits. This thesis also presents a generic compact modeling of multigate SOI MOSFETs with lightly doped channels and temperature dependent. According to a concept of geometric transformation, our compact model of the planar double-gate MOSFET is extended to be applied to any other type of multigate MOSFETs (MuGFET). An experimental validation of the MuGFET compact model with a triple gate transistor is proposed. This thesis finally brings solutions for the modeling of junction less double-gate MOSFET.

Les propriétés électriques et physiques de structures à faible dimensionalité ont été étudiées pour des applications dans des domaines divers comme l’électronique, les capteurs. La mesure du bruit bruit à basse fréquence est un outil très utile pour obtenir des informations relatives à la dynamique des porteurs, au piègeage des charges ou aux mécanismes de collision. Dans cette thèse, le transport électronique et le bruit basse fréquence mesurés dans des structures à faible dimensionnalité comme les dispositifs multi-grilles (FinFET, JLT…), les nanofils 3D en Si/SiGe, les nanotubes de carbone ou à base de graphène sont présentés. Pour les approches « top-down » et « bottom-up », l’impact du bruit est analysé en fonction de la dimensionalité, du type de conduction (volume vs surface), de la contrainte mécanique et de la présence de jonction metal-semiconducteur. / Electrical and physical properties of low-dimensional structures have been studied for the various applications such as electronics, sensors, and etc. Low-frequency noise measurement is also a useful technique to give more information for the carrier dynamics correlated to the oxide traps, channel defects, and scattering. In this thesis, the electrical transport and low-frequency noise of low-dimensional structure devices such as multi-gate structures (e.g. FinFETs and Junctionless FETs), 3-D stacked Si/SiGe nanowire FETs, carbon nanotubes, and graphene are presented. From the view point of top-down and bottom-up approaches, the impacts of LF noise are investigated according to the dimensionality, conduction mechanism (surface or volume conduction), strain technique, and metal-semiconductor junctions.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Berechnung und Optimierung von Silicon-On-Insulator-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors, einschließlich noch nicht in Massenproduktion hergestellter neuartiger Transistorarchitekturen für die nächsten Technologiegenerationen der hochleistungsfähigen Logik-MOSFETs mit Hilfe der Prozess- und Bauelementesimulation. Die neuartigen Transistorarchitekturen umfassen dabei vollständig verarmte SOI-MOSFETs, Doppel-Gate-Transistoren und FinFETs. Die statische und dynamische Leistungsfähigkeit der neuartigen Transistoren wird durch Simulation bestimmt und miteinander verglichen. Der mit weiterer Skalierung steigende Einfluss von statistischen Variationen wird anhand der Oberflächenrauheit sowie der Polykantenrauheit untersucht. Zu diesem Zweck wurden Modelle für die Generierung der Rauheit erarbeitet und in das Programmsystem SIMBA implementiert. Die mikroskopische Rauheit wird mit der makroskopischen Bauelementesimulation kombiniert und deren Auswirkungen auf die Standardtransistoren und skalierte Bauelemente aufgezeigt. Zudem erfolgt eine ausführliche Diskussion der Modellierung mechanischer Verspannung und deren Anwendung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs. Die in SIMBA implementierten Modelle zur verspannungs-abhängigen Änderung der Ladungsträgerbeweglichkeit und Lage der Bandkanten werden ausführlich dargestellt und deren Einfluss auf die elektrischen Parameter von MOSFETs untersucht. Weiterhin wird die Verspannungsverteilung für verschiedene Herstellungsvarianten mittels der Prozess-simulation berechnet und die Wirkung auf die elektrischen Parameter dargestellt. Exponential- und Gaußverteilungsfunktionen bilden die Grundlage, um die mechanische Verspannung in der Bauelementesimulation nachzubilden, ohne die Verspannungsprofile aus der Prozesssimulation zu übernehmen. Darüber hinaus werden die Grenzfrequenzen der Logiktransistoren in Bezug auf die parasitären Kapazitäten und Widerstände und zur erweiterten MOSFET-Charakterisierung dargestellt.

Die kontinuierliche Skalierung der planaren MOSFETs war in den vergangenen 40 Jahren der Schlüssel, um die Bauelemente immer kleiner und leistungsfähiger zu gestalten. Hinzu kamen Techniken zur mechanischen Verspannung, Verfahren zur Kurzzeitausheilung, die in-situ-dotierte Epitaxie und neue Materialien, wie das High-k-Gateoxid in Verbindung mit Titannitrid als Gatemetall. Jedoch erschwerten Kurzkanaleffekte und eine zunehmende Streuung der elektrischen Eigenschaften die Verkleinerung der planaren Transistoren erheblich. Somit gelangten die planaren MOSFETs mit der aktuellen 28 nm-Technologie teilweise an die Grenzen ihrer Funktionalität. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie, welche eine bessere Steuerfähigkeit des Gatekontaktes aufweisen und somit die Fortführung der Skalierung ermöglichen. Zudem standen die Anforderungen eines stabilen und kostengünstigen Herstellungsprozesses als Grundvoraussetzung zur Übernahme in die Volumenproduktion stets mit im Vordergrund. Die Simulationen der Tri-Gate-Transistoren stellten dabei den ersten Schritt hin zu einer Multi-Gate-Technologie dar. Ihre Prozessabfolge unterscheidet sich von den planaren Transistoren nur durch die Formierung der Finnen und bietet damit die Möglichkeit eines hybriden 22 nm-Prozesses. Am Beispiel der Tri-Gate-Transistoren wurden zudem die Auswirkungen der Kristallorientierung, der mechanischen Verspannung und der Überlagerungseffekte es elektrischen Feldes auf die Leistungsfähigkeit von Multi-Gate-Strukturen analysiert. Im nächsten Schritt wurden Transistoren mit vollständig verarmten Kanalgebieten untersucht. Sie weisen aufgrund einer niedrigen Kanaldotierung eine Volumeninversion, eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und eine geringere Anfälligkeit gegenüber der zufälligen Dotierungsfluktuation auf, welche für leistungsfähige Multi-Gate-Transistoren entscheidende Kriterien sind. Zu den betrachteten Varianten zählen die planaren ultradünnen SOI-MOSFETs, die klassischen FinFETs mit schmalen hohen Finnen und die vertikalen Nanowire-Transistoren. Anschließend wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Transistorstrukturen für eine mittel- bis langfristige industrielle Nutzung betrachtet. Dazu erfolgte eine Analyse der statistischen Schwankungen und eine Skalierung hin zur 14 nm-Technologie. Eine Zusammenfassung aller Ergebnisse und ein Ausblick auf die mögliche Übernahme der Konzepte in die Volumenproduktion schließen die Arbeit ab.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Entwicklung der CMOS-Technologie 2.1 Planare Transistoren 2.1.1 Theoretische Grundlagen von MOSFETs 2.1.2 Skalierung und Kurzkanalverhalten planarer Transistoren 2.1.3 Mechanische Verspannung von Silizium 2.1.4 Techniken zur mechanischen Verspannung 2.2 Multi-Gate-Transistoren 2.2.1 Multi-Gate-Strukturen 2.2.2 Überlagerungseffekte 2.2.3 Quanteneffekte 2.3 Stand der Technik 3 Grundlagen der Simulation 3.1 Prozesssimulation 3.1.1 Abscheiden und Abtragen von Schichten 3.1.2 Implantation 3.1.3 Thermische Ausheilung mit Diffusion 3.2 Bauelementesimulation 3.2.1 Grundgleichungen und Ladungsträgertransport 3.2.2 Bandlückenverengung 3.2.3 Generation und Rekombination 3.2.4 Ladungsträgerbeweglichkeit 3.2.5 Effekte der mechanischen Verspannung 3.2.6 Ladungsträgerquantisierung 3.3 Kalibrierung der Modellparameter 3.3.1 Prozessparameter 3.3.2 Modellparameter 4 Planare Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie 4.1 Transistoraufbau 4.1.1 Replacement-Gate-Prozess 4.1.2 In-situ-dotierte Source-Drain-Gebiete 4.1.3 Haloimplantation 4.1.4 Elemente der mechanischen Verspannung 4.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 4.2.1 Stationäres Verhalten 4.2.2 Gatesteuerung und Kurzkanaleffekte 4.2.3 Dynamisches Verhalten 5 Tri-Gate-Transistoren 5.1 Prozessintegration und Transistoraufbau 5.1.1 Anforderungen an hochintegrierte Schaltkreise 5.1.2 Hybride CMOS-Technologie 5.1.3 Strukturierung der Finne 5.1.4 Geometrieabhängiges Dotierungsprofil 5.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 5.2.1 Stationäres Verhalten 5.2.2 Kurzkanaleffekte und Gatesteuerung 5.2.3 Eckeneffekt 5.2.4 Eckenimplantation 5.2.5 Finnengeometrie 5.2.6 Dynamisches Verhalten 5.3 Optimierung der Tri-Gate-Struktur 5.3.1 Gestaltung der epitaktischen Source-Drain-Gebiete 5.3.2 Mechanisch verspanntes Isolationsoxid 5.3.3 Substratorientierung 6 Transistoren mit vollständig verarmtem Kanal 6.1 Ultra-Dünne-SOI-MOSFETs 6.1.1 Prozessintegration 6.1.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.2 FinFETs 6.2.1 Prozessintegration 6.2.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3 Vertikale Nanowire-MOSFETs 6.3.1 Prozessintegration 6.3.2 Strukturierung des Aktivgebiets 6.3.3 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3.4 Asymmetrisches Dotierungsprofil 6.3.5 Mechanische Verspannung 7 Skalierung und statistische Schwankungen der Strukturen 7.1 Skalierung zur 14 nm-Technologie 7.1.1 Leistungsfähigkeit 7.1.2 Kurzkanalverhalten und Steuerfähigkeit 7.2 Statistische Schwankungen 7.2.1 Impedanz-Feld-Methode 7.2.2 Zufällige Dotierungsfluktuation 7.2.3 Fixe Ladungen im Oxid 7.2.4 Metall-Gate-Granularität 7.2.5 Geometrische Variationen 7.2.6 Kombination der Störquellen 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Acknowledgement / Within the past 40 years the continuous scaling of planar MOSFETs was key to shrink the devices and to improve their performance. Techniques like mechanical stressing, rapid thermal annealing and in-situ doped epitaxial growing as well as novel materials, such as high-k-gate-oxide in combination with titanium nitride as metal-gate, has been introduced. However, short-channel-effects and increased scattering of electrical proper-ties significantly complicate the scaling of planar transistors. Thus, the planar MOSFETs gradually reached their limits of functionality with the current 28 nm technology node. For that reason, this work focuses on integration of multi-gate transistors based on a 22 nm technology, which show an improved gate control and allow a continuous scaling. Furthermore, the requirements of a stable and cost-efficient process as decisive condition for mass fabrication were always taken into account. The simulations of the tri-gate transistors present the first step toward a multi-gate technology. The process sequence differs from the planar one solely by a fin formation and offers the possibility of a hybrid 22 nm process. Also, the impact of crystal orientation, mechanical stress and superposition of electrical fields on the efficiency of multi-gate structures were analyzed for the tri-gate transistors. In a second step transistors with fully depleted channel regions were studied. Due to low channel doping they are showing a volume inversion, a higher carrier mobility and a lower sensitivity to random doping fluctuations, which are essential criteria for powerful multi-gate transistors. Reviewed structure variants include planar ultra-thin-body-SOI-MOSFETs, classic FinFETs with a tall, narrow fins and vertical nanowire transistors. Then advantages and disadvantages of the considered transistor structures have been observed for a medium to long term industrial use. For this purpose, an analysis of statistical fluctuations and the scaling-down to 14 nm technology was carried out. A summary of all results and an outlook to the transfer of concepts into mass fabrication complete this work.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Entwicklung der CMOS-Technologie 2.1 Planare Transistoren 2.1.1 Theoretische Grundlagen von MOSFETs 2.1.2 Skalierung und Kurzkanalverhalten planarer Transistoren 2.1.3 Mechanische Verspannung von Silizium 2.1.4 Techniken zur mechanischen Verspannung 2.2 Multi-Gate-Transistoren 2.2.1 Multi-Gate-Strukturen 2.2.2 Überlagerungseffekte 2.2.3 Quanteneffekte 2.3 Stand der Technik 3 Grundlagen der Simulation 3.1 Prozesssimulation 3.1.1 Abscheiden und Abtragen von Schichten 3.1.2 Implantation 3.1.3 Thermische Ausheilung mit Diffusion 3.2 Bauelementesimulation 3.2.1 Grundgleichungen und Ladungsträgertransport 3.2.2 Bandlückenverengung 3.2.3 Generation und Rekombination 3.2.4 Ladungsträgerbeweglichkeit 3.2.5 Effekte der mechanischen Verspannung 3.2.6 Ladungsträgerquantisierung 3.3 Kalibrierung der Modellparameter 3.3.1 Prozessparameter 3.3.2 Modellparameter 4 Planare Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie 4.1 Transistoraufbau 4.1.1 Replacement-Gate-Prozess 4.1.2 In-situ-dotierte Source-Drain-Gebiete 4.1.3 Haloimplantation 4.1.4 Elemente der mechanischen Verspannung 4.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 4.2.1 Stationäres Verhalten 4.2.2 Gatesteuerung und Kurzkanaleffekte 4.2.3 Dynamisches Verhalten 5 Tri-Gate-Transistoren 5.1 Prozessintegration und Transistoraufbau 5.1.1 Anforderungen an hochintegrierte Schaltkreise 5.1.2 Hybride CMOS-Technologie 5.1.3 Strukturierung der Finne 5.1.4 Geometrieabhängiges Dotierungsprofil 5.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 5.2.1 Stationäres Verhalten 5.2.2 Kurzkanaleffekte und Gatesteuerung 5.2.3 Eckeneffekt 5.2.4 Eckenimplantation 5.2.5 Finnengeometrie 5.2.6 Dynamisches Verhalten 5.3 Optimierung der Tri-Gate-Struktur 5.3.1 Gestaltung der epitaktischen Source-Drain-Gebiete 5.3.2 Mechanisch verspanntes Isolationsoxid 5.3.3 Substratorientierung 6 Transistoren mit vollständig verarmtem Kanal 6.1 Ultra-Dünne-SOI-MOSFETs 6.1.1 Prozessintegration 6.1.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.2 FinFETs 6.2.1 Prozessintegration 6.2.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3 Vertikale Nanowire-MOSFETs 6.3.1 Prozessintegration 6.3.2 Strukturierung des Aktivgebiets 6.3.3 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3.4 Asymmetrisches Dotierungsprofil 6.3.5 Mechanische Verspannung 7 Skalierung und statistische Schwankungen der Strukturen 7.1 Skalierung zur 14 nm-Technologie 7.1.1 Leistungsfähigkeit 7.1.2 Kurzkanalverhalten und Steuerfähigkeit 7.2 Statistische Schwankungen 7.2.1 Impedanz-Feld-Methode 7.2.2 Zufällige Dotierungsfluktuation 7.2.3 Fixe Ladungen im Oxid 7.2.4 Metall-Gate-Granularität 7.2.5 Geometrische Variationen 7.2.6 Kombination der Störquellen 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Acknowledgement