The low dimensions of the state-of-the-art nanoscale transistors exhibit increasing
quantum mechanical effects, which are no longer negligible. Gate tunneling current is
one of such effects, that is responsible for high power consumption and high working
temperature in microprocessors. This in turn put limits on further down scaling of
devices. Therefore modeling and calculation of tunneling current is of a great interest.
This work provides a review of existing models for the calculation of the gate
tunneling current in MOSFETs. The quantum mechanical effects are studied with a
model, based on a self-consistent solution of the Schrödinger and Poisson equations
within the effective mass approximation. The calculation of the tunneling current is
focused on models based on the calculation of carrier’s lifetime on quasi-bound states
(QBSs). A new method for the determination of carrier’s lifetime is suggested and then
the tunneling current is calculated for different samples and compared to measurements.
The model is also applied to the extraction of the “tunneling effective mass” of electrons
in ultrathin oxynitride gate dielectrics.
Ultrathin gate dielectrics (tox<2 nm) consist of only few atomic layers. Therefore,
atomic scale deformations at interfaces and within the dielectric could have great
influences on the performance of the dielectric layer and consequently on the tunneling
current. On the other hand the specific material parameters would be changed due to
atomic level deformations at interfaces. A combination of DFT and NEGF formalisms
has been applied to the tunneling problem in the second part of this work. Such atomic
level ab initio models take atomic level distortions automatically into account. An atomic
scale model interface for the Si/SiO2 interface has been constructed and the tunneling
currents through Si/SiO2/Si stack structures are calculated. The influence of single and
double oxygen vacancies on the tunneling current is investigated. Atomic level
distortions caused by a tensile or compression strains on SiO2 layer as well as their
influence on the tunneling current are also investigated. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung von Tunnelströmen in
MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors). Zu diesem Zweck
wurde ein quantenmechanisches Modell, das auf der selbstkonsistenten Lösung der
Schrödinger- und Poisson-Gleichungen basiert, entwickelt. Die Gleichungen sind im
Rahmen der EMA gelöst worden. Die Lösung der Schrödinger-Gleichung unter offenen
Randbedingungen führt zur Berechnung von Ladungsverteilung und Lebensdauer der
Ladungsträger in den QBSs. Der Tunnelstrom wurde dann aus diesen Informationen
ermittelt. Der Tunnelstrom wurde in verschiedenen Proben mit unterschiedlichen
Oxynitrid Gatedielektrika berechnet und mit gemessenen Daten verglichen. Der
Vergleich zeigte, dass die effektive Masse sich sowohl mit der Schichtdicke als auch mit
dem Stickstoffgehalt ändert.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein atomistisches Modell zur Berechnung
des Tunnelstroms verwendet, welche auf der DFT und NEGF basiert. Zuerst wurde ein
atomistisches Modell für ein Si/SiO2-Schichtsystem konstruiert. Dann wurde der
Tunnelstrom für verschiedene Si/SiO2/Si-Schichtsysteme berechnet. Das Modell
ermöglicht die Untersuchung atom-skaliger Verzerrungen und ihren Einfluss auf den
Tunnelstrom. Außerdem wurde der Einfluss einer einzelnen und zwei unterschiedlich
positionierter neutraler Sauerstoffleerstellen auf den Tunnelstrom berechnet. Zug- und
Druckspannungen auf SiO2 führen zur Deformationen in den chemischen Bindungen
und ändern den Tunnelstrom. Auch solche Einflüsse sind anhand des atomistischen
Modells berechnet worden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:ch1-200800477 |
| Date | 30 April 2008 |
| Creators | Nadimi, Ebrahim |
| Contributors | TU Chemnitz, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Prof. Dr. rer. nat. Christian Radehaus, Prof. Dr. -Ing. habil. John Thomas Horstmann, Dr. -Ing. Karsten Wieczorek |
| Publisher | Universitätsbibliothek Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, text/plain, application/zip |
| Rights | Dokument ist für Print on Demand freigegeben |
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