Kurzfassung

In dieser Dissertation wurden die folgende Probleme betrachtet:

• Der Gateverarmungseffekt wurde von der physikalischen und experimentellen Seite analysiert. Die MOS Bauelemente mit einem nichtdegenerierten Gate wurden analytisch und numerisch modelliert.
• Die transienten Generations- und Rekombinationsprozesse in MOS Bauelementen wurden studiert. Der Charge-Pumping Effekt wurde durch Verwendung analytischer und numerischer Methoden untersucht.
• Die Kennlinien des Charge-Pumping Experiments von MOSFETs und verschiedene Charge-Pumping Meßtechniken wurden erforscht und modelliert. Die Degradation der MOSFETs bei elektrischem Streß, in dem die heiße Ladungsträger auftreten, wurde studiert. Die Potentialstörung in MOS Strukturen, die durch eine lokalisierte Grenzflächenladung verursacht wird, wurde untersucht.
• Der Interband-Tunneleffekt in MOS-Transistoren wurde modelliert.

Die physikalischen Erscheinungen des Gateverarmungseffektes wurden analysiert. Es wurde ein analytisches eindimensionales Modell der MOS Struktur präsentiert, das Hochdotierungseffekte im Gate berücksichtigt. Der Einfluß der aktiven Konzentration der Dopanden im Gate in der Nähe der Grenzfläche und der Einfluß der Ladungen auf die Gate- bzw. Oxid-Grenzfläche auf die Flachbandspannung, die Schwellspannung, die Ladungsdichte in der Inversionsschicht und die Gatekapazität wurde ohne einschränkenden Vereinfachungen analytisch modelliert und quantitativ ausgewertet. Ein zweidimensionales Modell des Gateverarmungseffektes wurde ebenfalls entwickelt, um die Degradation der Eigenschaften von MOS-Transistoren bei weiterer Verkleinerung von Abmessungen und Reduzierung der Betriebsspannung zu untersuchen. Die analytische MOSFET Theorie und das numerische Modell wurden benützt, um die unterschiedlichen Veränderungen im Strom, der Ladungsträgerbeweglichkeit und der Ladungsdichte in der Inversionsschicht im Sättigungsbereich sowie in der linearen Region zu erklären. Ein sorgfältiger Vergleich zwischen dem angenommenen physikalischen Gatemodell und mehreren eigenen und in der Literatur publizierten experimentellen quasistatischen Kennlinien der Gatekapazität wurde durchgeführt. Verschiedene physikalische Phänomene im Gate wurden diskutiert, die Abweichungen des Modells von den experimentellen Daten erklären. Diese Untersuchung ist von allgemeiner Bedeutung für die Beschreibung der hochdotierten, ladungsverarmten Bereiche in Halbleitern.

Die transienten Generations- und Rekombinationsprozesse in MOSFETs wurden analysiert. Der Charge-Pumping Effekt und die Kennlinien des Charge-Pumping Experimentes wurden mit Hilfe analytischer und numerischer Verfahren untersucht. Der heutige Stand der Wissenschaft im Bereich der Charge-Pumping Meßtechniken wurde dargestellt. Die zeitabhängigen Bilanz-Gleichungen für die Störstellen wurden mit zweidimensionalen, zeitvarianten Halbleitergleichungen in einer rigorosen, selbstkonsistenten Weise gekoppelt und in einem numerischen Modell für MOSFETs implementiert. Beliebige Verteilungen von Störstellen im Halbleitervolumen und auf den Halbleitergrenzflächen, sowohl im Orts- als auch im Energieraum, sind in diesem Modell zulässig. Eine stabile und rasche Konvergenz des iterativen numerischen Lösungsverfahren auch bei höchsten Dichten der Störstellen in den Bauelementen wurde durch die Entwicklung geeigneter numerischen Methoden ermöglicht. Der Zeitdiskretisierungsfehler bei der Lösung der Störstellengleichungen wurde durch analytische Methoden und durch einen Vergleich mit dem numerischen Modell abgeschätzt. Eine analytische Näherung für die komplette Kennlinie des Charge-Pumping Stromes in Abhängigkeit vom Grundniveau der Gatespannung wurde hergeleitet. Die Genauigkeit und die Begrenzungen dieses analytischen Modells wurden durch Vergleich mit genauen Resultaten des numerischen Verfahrens überprüft. Unterschiedliche Charge-Pumping Schwellspannungen und Charge-Pumping Flachbandspannungen wurden definiert und erläutert. Die Genauigkeit der mathematischen Formel für den Charge-Pumping Strom, für den Fall der Abhängigkeit des Stromes ausschließlich von Emissionsniveaus, wurde überprüft, und eine verbesserte Formel für das Emissionsniveau abgeleitet, welche die Breite des Übergangsbereiches der nichtstationären Besetzungsfunktion berücksichtigt. Eine Ungenauigkeit wurde in der herkömmlichen Formel für die Berechnung der Energieverteilung der Störstellendichte entdeckt. In dieser Untersuchung wurden die numerisch berechneten Daten anstatt der experimentellen Daten verwendet. Das zweidimensionale zeitvariante Modell des Charge-Pumping Experimentes wurde verwendet, um die geometrische Stromkomponente vollständig zu erklären. Dabei wurde festgestellt, daß die geometrische Stromkomponente von zwei unterschiedliche Mechanismen verursacht wird. Eine dieser Ursachen ist der Transport der Minoritätsladungsträger, die aus den Grenzflächenstörstellen emittiert wurden. Diese Ladungsträger werden nicht in die Richtung der Übergangszonen der Drain- und Sourcekontakte transportiert, als üblich angenommen wird, sondern in die Richtung des Bulkkontaktes. Dieser Effekt verursacht, daß die geometrische Stromkomponente trotz sehr langer Ausschaltungszeiten der MOS-Transistoren nicht verschwindet. Der Einfluß dieses neuen Effektes auf der Messungen mit den ``three-level'' Gateimpulsen wurde betont.

Die Änderungen der Charge-Pumping Kennlinien, die als Folge einer elektrischen Belastung aufgrund heißer Ladungsträger auftreten, wurden mithilfe eines numerischen Verfahrens untersucht. Es wurde der Einfluß der Menge, der Art und der Ortsstelle der produzierten Grenzflächenstörstellen analysiert. Unterschiedliche Streßexperimente wurden simuliert, um abzuschätzen, welche Information die reale Experimente liefern können. Diese Streßexperimente modellieren die Akkumulation der Löcher im Oxid und die Absorbtion der injizierten Elektronen durch akkumulierte Löcher und durch neutrale Störstellen, die bei der Löcherinjektion erzeugt wurden. Die Perturbation des Oberflächenpotentials, die durch eine lokalisierte Grenzflächenladung induziert wurden, und die Verschiebung der Kennlinien der MOS-Bauelemente auf der Gatespannungsachse wurden studiert. Die Störung des Oberflächenpotentials ist für eine lokalisierte Grenzflächenladung kleiner als für eine einheitliche Ladung auf der Oberfläche. Ein analytisches Modell der Perturbation des Potentials wurde durch eine Lösung des Laplace-Problems in der verarmten MOS Kapazität bei eingenommenen lokalisierten Grenzflächenladung gewonnen. Ein Zusammenhang zwischen der lokalen Bandverbiegung und der Verschiebung der Gatespannungsachse wurde abgeleitet. Die Genauigkeit des analytischen Modells wurde durch einen Vergleich mit der numerischen Lösung untersucht. Der Einfluß der Breite der an Ladungsträger verarmten Region, der Breite der lokalisierten Grenzflächenladungen und des Effektes der elektrostatischen Abschirmung, eine Folge der Inversion an der Oberfläche, auf die Störung des Oberflächenpotentials und auf die Verschiebung der Kennlinien auf der Gatespannungsachse wurde qualitativ analysiert und quantitativ ausgewertet. Die Charge-Pumping Meßtechniken für die Berechnung von Ortsverteilung der Grenzflächenzuständen wurden kritisch durchleuchtet. Beide Probleme, die Störstellen, die symmetrisch auf der Source- und Drainseite in unbeschädigten MOSFETs verteilt sind, und der geschädigte Bereich, der lokalisiert in der -Übergangsregion des Drainkontaktes nach elektrischer Belastung liegt, wurden behandelt. Ein systematischer Fehler bei der Anwendung der herkömmlichen Meßmethoden wurde entdeckt, der da durch zustande kommt, daß die Änderung in den Emissionsniveaus für alle Störstellen in den Bauelementen während des Verlaufs des Experimentes vernachlässig wird. Die jetzigen Techniken wurden verbessert, sodaß dieser Effekt berücksichtigt werden kann. Eine experimentelle Methode wurde vorgeschlagen, die keinen solcher Effekt zeigt. Außerdem wurde eine Charge-Pumping Technik für Messungen der Ortsverteilung von festen Oxidladungen entwickelt.

Die Unterschiede zwischen den Kennlinien des Charge-Pumping Stromes wurden für LDD MOSFETs und konventionelle MOSFETs analytisch und numerisch analysiert. Ein analytisches Modell für den ``fringing'' Effekt des elektrischen Feldes zwischen der Gate-Ecke und dem LDD-Bereich wurde durch eine Lösung des Laplace-Problems im Oxid abgeleitet, um die steigende Flanke der Charge-Pumping Kennlinie von LDD MOSFETs zu erklären. Die Genauigkeit der analytischen Lösung des ``fringing'' Problems wurde mit Hilfe numerischer Verfahren untersucht. Dabei stellte sich heraus, daß das selbstinduzierte laterale Feld im Halbleiter in der Nähe der Gatekante eine wichtige Rolle spielt. Die Degradation der -Kanal LDD MOSFETs während elektrisches Stresses wurde untersucht. Die Ortsverteilung der im elektrischen Streß erzeugten Grenzflächenstörstellen wurde aus den Charge-Pumping Kennlinien, die in verschiedenen Zeitabständen gemessen wurden, berechnet. Die gewonnenen Störstellenverteilungen wurden als Eingangsdaten für die numerische Berechnung der Kennlinien des Charge-Pumping Stromes verwendet. Die Übereinstimmung der berechneten Charge-Pumping Kennlinien mit den experimentellen Kennlinien bestätigt, daß eine gute Genauigkeit der berechneten Störstellenverteilungen erreicht wurde.

Ein Verfahren zur Modellierung des Band-zu-Band Tunneleffektes wurde entwickelt und in einem numerischen Modell von MOS-Transistoren implementiert. Die Tunnelrichtungen wurden in zwei Dimensionen betrachtet. Die Änderungen der Stärke des elektrischen Feldes entlang der einzelnen Tunnelwege wurden im Modell berücksichtigt. Die Potential- und Feldverteilung in der kritischen Region, wo der Gatekontakt den -Übergang am Drain überlappt, wurden analysiert. Ein Modell der Tunnelgenerationsrate für eine linear veränderliche elektrische Feldstärke wurde vorgeschlagen. Das Modell wurde unter Anwendung der Wentzel-Kramers-Brillouin-Jeffreys (WKBJ) Näherung abgeleitet. Es wurde eine Bandstruktur angenommen, die die gegenseitige Beeinflussung des Leitungs- und Valenzbandes mit einer Störungsrechnung beschreibt.