Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie

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 AcknowledgementWithin 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 Acknowledgemen

Survival analysis for AdVerse events with VarYing follow-up times (SAVVY) -- comparison of adverse event risks in randomized controlled trials

Analyses of adverse events (AEs) are an important aspect of the evaluation of experimental therapies. The SAVVY (Survival analysis for AdVerse events with Varying follow-up times) project aims to improve the analyses of AE data in clinical trials through the use of survival techniques appropriately dealing with varying follow-up times, censoring, and competing events (CE). In an empirical study including seventeen randomized clinical trials the effect of varying follow-up times, censoring, and competing events on comparisons of two treatment arms with respect to AE risks is investigated. The comparisons of relative risks (RR) of standard probability-based estimators to the gold-standard Aalen-Johansen estimator or hazard-based estimators to an estimated hazard ratio (HR) from Cox regression are done descriptively, with graphical displays, and using a random effects meta-analysis on AE level. The influence of different factors on the size of the bias is investigated in a meta-regression. We find that for both, avoiding bias and categorization of evidence with respect to treatment effect on AE risk into categories, the choice of the estimator is key and more important than features of the underlying data such as percentage of censoring, CEs, amount of follow-up, or value of the gold-standard RR. There is an urgent need to improve the guidelines of reporting AEs so that incidence proportions are finally replaced by the Aalen-Johansen estimator - rather than by Kaplan-Meier - with appropriate definition of CEs. For RRs based on hazards, the HR based on Cox regression has better properties than the ratio of incidence densities

ARSB IS REQUIRED FOR BONE REMODELING

n/

Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie

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 AcknowledgementWithin 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 Acknowledgemen

Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie

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 AcknowledgementWithin 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 Acknowledgemen

Vertically Integrated Reconfigurable Nanowire Arrays

This letter discusses a feasible variant of vertically integrated reconfigurable field effect transistors (RFET) based on top-down nanowires. The structures were studied by 3-D device simulations. Subdividing the structure into two vertical pillars allows a lean technological realization as well as simple access to the electrodes. In addition of enabling p- and n-FET operations like a horizontal RFET, the device delivers higher performance. We show that by the integration of additional vertical pillars and select gates, a higher device functionality and flexibility in interconnection are provided

Scaling Aspects of Nanowire Schottky Junction based Reconfigurable Field Effect Transistors

This contribution discusses scaling aspects of individually gated nanowire Schottky junctions which are essential parts of reconfigurable field effect transistors (RFETs). The applicability of the screening (or natural) length theory in relation to the carrier transport is discussed first. Various geometrical parameters of the device were investigated to find the optimal structure in terms of performance. For this purpose, electrostatic properties and the dynamic behavior of the RFET were studied. Finally the increase in performance due to an additional substitution of the silicon by germanium is analyzed

A Physical Synthesis Flow for Early Technology Evaluation of Silicon Nanowire based Reconfigurable FETs

Silicon Nanowire (SiNW) based reconfigurable fieldeffect transistors (RFETs) provide an additional gate terminal called the program gate which gives the freedom of programming p-type or n-type functionality for the same device at runtime. This enables the circuit designers to pack more functionality per computational unit. This saves processing costs as only one device type is required, and no doping and associated lithography steps are needed for this technology. In this paper, we present a complete design flow including both logic and physical synthesis for circuits based on SiNW RFETs. We propose layouts of logic gates, Liberty and LEF (Library Exchange Format) files to enable further research in the domain of these novel, functionally enhanced transistors. We show that in the first of its kind comparison, for these fully symmetrical reconfigurable transistors, the area after placement and routing for SiNW based circuits is 17% more than that of CMOS for MCNC benchmarks. Further, we discuss areas of improvement for obtaining better area results from the SiNW based RFETs from a fabrication and technology point of view. The future use of self-aligned techniques to structure two independent gates within a smaller pitch holds the promise of substantial area reduction