Jenseits von Silizium
Trotz seiner Allgegenwart als Baumaterial für Transistoren, sieht sich Silizium der Konkurrenz durch neue Halbleitermaterialien ausgesetzt. Die Verkleinerung von Geräten mit komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) nähert sich seinen grundlegenden Grenzen. Zur gleichen Zeit finden sich Hersteller von Transistoren in einem Wettrüsten, um elektronische Geräte leichter, kleiner und effizienter zu machen. Die Verwendung von Silizium und seinem nativen Oxid wird allerdings durch ein Mangel an Vertrauen in die Zuverlässigkeit von nanoelektronischen Bauelementen auf der Basis anorganischer kristalliner Materialien behindert. Die Wissenschaftler des EU-geförderten Projekts MORDRED (Modelling of the reliability and degradation of next generation nanoelectronic devices) wollten Designern und Ingenieuren helfen, genaue Projektionen zur Lebensdauer zu machen. Mit schrumpfenden Transistorabmessungen bis in den Nanometerbereich hängt das Verhalten von Nano-Elektronikgeräten immer mehr von der Granularität der Materialien und der quantenmechanischen Effekten ab. Um ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erhalten, integrierten die Wissenschaftler von MORDRED physikalisch basierte 3D-Simulationen mit detaillierten experimentellen Messungen von Materialeigenschaften auf der quantenmechanischen Ebene. Ziel war es, ein stabiles Verständnis der Mechanismen, die zum Abbau von CMOS-Transistoren führen, und ihrer Auswirkungen auf die Leistung integrierter Schaltungen zu gewinnen. Die Forschungsarbeiten führten zu einem Simulationsrahmen für die Zuverlässigkeit, das sich unter anderem für atomistische sowie für Schaltungssimulationen eignet. Die Trapping- und De-Trapping-Dynamik wurde mit einer Monte-Carlo-Engine wiedergegeben, die Oxidabbausimulationen ermöglicht. Die Methoden von MORDRED erwiesen sich als genau und effizient für die Modellierung von Kraftfeldern an Halbleiter-Oxid- und Metall-Oxid-Schnittstellen. Dazu gehörten auch mathematische Modelle von nichtstrahlenden Multi-Phonon-Prozessen, Instabilitäten und Trägerinjektionen, die die Entstehung bestimmter Defekte in Halbleiterbauelementen beeinflussen. Insbesondere resultieren die sogenannte Bias-Temperatur-Instabilität und das Random-Telegraph-Rauschen in CMOS-Technologie aus der Anhäufung von Defekten (Fallen). Die Eigenschaften solcher Fallen, sowohl elektrische als auch physikalische, wurden unter bestimmten Bedingungen gemessen, was den MORDRED-Wissenschaftlern ermöglichte, sie zu gruppieren und sie mit Simulationen zu vergleichen und somit Modelle zu verbessern. Ein besseres Verständnis des Trap-Verhaltens von Oxid ist für Zuverlässigkeitsprobleme entscheidend, etwa für die Hot-Carrier-Degradation und den zeitabhängigen dielektrischen Ausfall. Die durch die umfangreichen experimentellen Messungen gewonnen wesentlichen neuen Erkenntnisse wurden in einer Referenzdatenbank gesammelt, damit sich gemessene Signale mit Quellen der Degradation korrelieren lassen. Neue Halbleitermaterialien werden bereits immer mehr verwendet, um die Leistung von CMOS-Technologie zu verbessern und gleichzeitig den Stromverbrauch zu reduzieren. Die Ergebnisse von MORDRED werden dazu beitragen, dass die nächste Generation von nanoelektronischen Bauelementen über längere Betriebslebensdauern diese verbesserte Leistung beibehält.
Schlüsselbegriffe
Silizium, Zuverlässigkeit und Abbau, nanoelektronische Geräte, Transistor, CMOS
