In der modernen Mikroelektronik nimmt die Packungsdichte in integrierten
Schaltkreisen zu. Damit verbunden ist eine Miniaturisierung der elektronischen
Grundbausteine. Zum jetzigen Zeitpunkt sind Transistoren mit einer Kanallänge
von 
bereits in Verwendung und mit 
Kanallänge in
Untersuchung. Um zu einer weiteren Technologieverbesserung zu gelangen als auch
die Fertigungskosten zu optimieren, ist es notwendig, den Herstellungsprozeß
sowie das elektrische Verhalten dieser Bauteile ständig zu
verbessern. Einsichten, die aufgrund von numerischen Simulationen gewonnen
werden, ermöglichen ein tieferes Verständnis der physikalischen Vorgänge
sowohl in der Herstellung als auch beim Einsatz in Schaltkreisen
[1][2][3][4].
In der Bauelementsimulation werden Programme, die auf verschiedenen physikalischen Annahmen basieren, eingesetzt. Das Drift-Diffusions-Modell zur Lösung der Boltzmanngleichung, die das Transportverhalten von Ladungsträgern beinhaltet, wird industriell zur Vorhersage der Eigenschaften neu zu entwickelnder Transistoren verwendet. Die Funktionsweise von Dioden, Bipolar- und MOS-Transistoren konnte qualitativ und quantitativ richtig beschrieben werden. Die numerische Effizienz und Robustheit dieses Transportmodells und auch die vielfachen Erweiterungsmöglichkeiten in physikalischer Hinsicht haben sicherlich zur Verbreitung in der Entwicklung neuer Transistoren beigetragen.
Nichtlokale Effekte und die Modellierung von Verbindungshalbleitern führten zur Entwicklung des hydrodynamischen Modells, bei dem zusätzlich zum Ladungstransport auch der Energietransfer berücksichtigt wird. Wenn nun die energetische Verteilung der Ladungsträger stark vom Gleichgewicht abweicht, muß das hydrodynamische Modell angewandt werden, da im Gegensatz zum einfacheren Drift-Diffusions-Modell sich die Temperatur der Ladungsträger stark von derjenigen des elektronischen Bauteils unterscheidet, und auch die Beweglichkeit eine Funktion der mittleren Energie der Ladungsträger ist.
Die Simulation von Transportprozessen mit der Monte-Carlo-Methode empfiehlt sich dann, wenn im Bauteil das elektrisches Feld stark variiert oder aber Hochenergieeffekte untersucht werden sollen. Dann sind Näherungslösungen zur Beschreibung des Transportverhaltens von Elektronen und Löchern nicht ausreichend. Insbesondere, wenn ein extremer Nichtgleichgewichtszustand vorliegt, kann eine hinreichend genaue Lösung der Boltzmanngleichung nur mit statistischen Verfahren gewonnen werden. In MOS-Feldeffekttransistoren findet der Ladungstransport hauptsächlich in der schmalen Inversionsschicht im Bereich der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche statt. Wegen der hohen elektrischen Felder und der damit resultierenden Beschleunigung der Elektronen kann ein Eindringen der Ladungsträger in das isolierende Gate-Material nicht verhindert werden. Diese Elektronen verursachen einen unerwünschten, parasitären Strom in das Gate-Material.
Mit der Erkenntnis des Auftretens von Gate-Strömen wurden aber auch Bauteile entworfen, die sich dieses Effektes bemächtigen. Sogenannte Electrically Eraseable Programmable Read Only Memories (EEPROM) sind darauf aufgebaut, daß während des Lese- und Schreibmechanismus Elektronen vom Substrat in das floating gate, beziehungsweise in umgekehrter Richtung injiziert werden [5][6][7][8][9][10][11][12][13] [14].
Das physikalische Verhalten, weswegen Elektronen einen Gate-Strom hervorrufen, wird in zwei Kategorien unterteilt. Elektronen können in die Gate-Elektrode gelangen, wenn sie höhere Energie als die Potentialbarriere an der Grenzfläche aufweisen, oder aber entsprechend der quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten bei Energiewerten, die diese Potentialschwelle unterschreiten, aufgrund des Tunneleffekts zum Gate-Strom beitragen.
Das Degradationsverhalten von Transistoren wird von hochenergetischen Elektronen im Kanalbereich bestimmt. Dabei ist nicht nur der Gate-Strom von Bedeutung. Aufgrund von Stoßionisation werden vermehrt Minoritätsladungsträger erzeugt, die ein Ansteigen des Bulk-Stromes bewirken. Ein weiterer Effekt, der an der Grenzfläche zum Oxid auftritt ist Eletroneneinfang aufgrund von ungesättigten Bindungen an dieser Grenzfläche. Das impliziert eine Änderung der Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanalbereich und ferner einen sogenannten threshold voltage shift während des Betriebs eines elektronischen Bauteils. Diese Effekte können die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Transistors verändern und somit zu Schäden in der Schaltung führen oder aber Fehlverhalten des gesamten Schaltkreises verursachen.
Um Instabilitäten, die von hochenergetischen Ladungsträgern verursacht werden, zu vermeiden, kann die Zuverlässigkeit von modernen Schaltkreisen während der Fabrikation bei geeignetem Entwurf erhöht werden. In der Herstellung von isolierenden Materialien wird nicht nur Siliziumdioxid eingesetzt, sondern vielfach nitriertes (MNOS) [6] oder nitriertes und reoxidiertes Siliziumdioxid (MONOS) eingesetzt [15]. Moderne Fabrikationsschritte zur Erzeugung einer Oxidschicht bei extrem kurzer Aufheizung erlauben ferner auch die Reduktion von Fehlstellen in dünnen Isolatoren [16]. Jedoch ist es für die Entwicklung von elektronischen Bauelementen im Submikrometerbereich unerläßlich, sowohl über die qualitativen als auch über die quantitativen Mechanismen, welche eine Aufheizung der Elektronen und somit Elektroneninjektion bewirken, Bescheid zu wissen.