Christian Doppler Laboratory for Integrated Devices

The improvement of the performance of semiconductor integrated circuits will proceed unabated in the next decade. Thus, the demands on the individual devices of integrated circuits increase steadily. At the turn of the millenium integrated circuits with several tens of million components with a structure size of about 0.2μm will be manufactured industrially. The physical understanding of the electrical behavior of the components and their manufacturing processes must keep pace with these increasing demands.
One topic of major effort in research at the Institute for Micro­electronics of the Technical University Vienna is the development of software tools which allow to gain rules for the miniaturiza­tion of integrated devices in connection with experimental inves­tigations. The interaction between simulation and measurement requires obviously access to a modern fabrication line for inte­grated devices. Such a fabrication line does not exist at the Technical University Vienna, therefore, the Institute for Micro­electronics is forced to use experimental data of the public literature and devices of cooperation partners in order to be able to calibrate the actually developed software tools.
Never­theless the problem of development of general rules for profita­ble industrial application of the software tools can not be treated in this context. It seems highly plausible that the knowledge which is required for the development of tools for this kind of investigations, which is available at the Institute for Microelectronics, could be a profound base for the direct investigation of general rules for the miniaturization of integrated devices.
A main condition for the success of this kind of activity doubt­less is a close cooperation with a manufacturer of semiconductor chips within reasonable geographical distance, which utilizes a good fabrication line and a sufficiently modern semiconductor technology. The company Austria Mikro Systeme International GmbH in Unterpremstätten, which clearly has shown its interest in such an activity, would be well suited for a cooperationship.
Therefore, the concrete main efforts of research and investiga­tions of a CHRISTIAN DOPPLER LABORATORY at the Institute for Microelectronics of the Technical University Vienna can be sketched as follows:
o) Investigations of influences with respect to the variation of technological processes (process sensitivity) on the fundamental behavior of microminiaturized semiconductor devices by process and device simulation.
o) Improvement of physical models of modern industrial manufacturing process steps (e.g. rapid thermal annealing).
o) Extraction of critical parameters for a reduction (scaling) of integrated devices.
o) Identification of parasitic effects (e.g. interconnetcs).
o) Extraction of critical parameters with respect to the long time stability (aging) of integrated devices (e.g. investigation of the injection of hot carriers into the gate oxid).
o) Synthesis of engineering rules for the improvement and/or miniaturization of existing integrated devices.
The goal of the investigations within these priorities is to deduce general guidelines which are to test with the specific applications and needs of AUSTRIA MICROSYSTEMS INTERNATIONAL AG.
However, the mere numerical analysis of the devices and their fabrication steps is not sufficient. The performance of computers makes it possible today to design for many applications, so-called integrated systems, which offer an  only occasional user of complex simulation programs an easily usable user interface with high functionality.
On this issue the establishment of a rigorous semiconductor technology CAD system is seeked with several dissertations at the Institute for Microelectronics in a project called VISTA (Viennese Integrated System for Technology CAD Applications). The first doctoral thesis on this topic, which investigated the development of an interactive operating and programming environment for VISTA and its application, was completed in November 1993 by Dr.Hubert Pimingstorfer. This work was at that time supported by the 'Christian Doppler Labor' for Integrated Devices of Austrian Industries, in close cooperation with the AUSTRIA MICROSYSTEMS GmbH. As part of the CHRISTIAN DOPPLER LABORATORY FOR INTEGRATED DEVICES extensions are made towards integrated multi-dimensional optimization.
Such a development environment facilitates the use of highly specialized simulation tools for process and device analysis significantly for a semiconductor manufacturer, as the AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTERNATIONAL AG.

Die Steigerung der Leistungsfähigkeit von integrierten Halbleiterschaltungen wird in das nächste Jahrzehnt unge­brochen voranschreiten. Dadurch wachsen die Anforderungen an die Einzelbaulemente der integrierten Schaltungen zunehmend. Zur Jahrtausendwende werden integrierte Schaltungen mit etlichen zehn Millionen Bauelementen, deren Strukturgröße bei etwa 0.2µm liegt, industriell gefertigt werden. Das physika­lische Verständnis für das elektrische Verhalten der Bauele­mente und derer Fertigungsprozesse muß mit diesen steigenden Anforderungen mithalten.
Ein Schwerpunkt der  Forschungstätigkeiten des Institutes für Mikroelektronik der Technischen Universität Wien liegt in der Entwicklung von Softwarewerkzeugen, welche Richtlinien für die Miniaturiserung integrierter Bauelemente in Interaktion mit experimentellen Untersuchungen zu erarbeiten gestatten. Dieses Wech­selspiel von Simulation und Messung erfordert natürlich den Zu­griff auf eine moderne Fertigungslinie für integrierte Bauele­mente. Da an der Technischen Universität Wien eine derartige Fertigungslinie nicht existiert, muß das Institut für Mikroelek­tronik auf experimentelle Daten der Literatur und Bauelemente von diversen Kooperationspartnern zum Zwecke der Eichung der in Entwicklung befindlichen Softwarewerkzeuge zurückgreifen.
Die Erforschung von allgemeinen Richtlinien zur Miniaturisierung bleibt damit  zunächst den Halbleiterherstellern vorbehalten, da nur diese den Kreis aus Modellbildung, Simulation, Messung und Eichung befriedigend schließen können. Das Interesse der kleineren Halbleiterhersteller an diesen allgemeinen, längerfristig relevan­ten Richtlinien ist grundsätzlich groß, jedoch ist es für sie schwierig, die erforderliche Forschungskapazität mit dem dafür benötigten Spezialwissen aufzubringen; die Forschungsaktivitäten werden meist durch  konkrete, in naher Zukunft benötigte, Produkte bestimmt.
Das Spezialwissen, welches für die Entwicklung der Werkzeuge für derartige Untersuchungen benötigt wird, ist am Institut für Mikroelektronik vorhanden. AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTERNATIONAL AG, der Halbleiterhersteller in nächster geographischer Nähe zum Institut für Mikroelektronik, besitzt die komplementären soliden Fertigungseinrichtungen für moderne Halbleitertechnologien. Die genannten allgemeinen Richtlinien zur Verbesserung integrierter Bauelemente sind auch für die AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTERNATIONAL AG von vitaler langfristiger Bedeutung.
Die konkreten Schwerpunkte der Forschungen und Untersuchungen des CHRISTIAN DOPPLER LABORATORIUMS am Institut für Mikroelektronik unter der Patenschaft der AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTERNATIONAL AG lassen sich daher wie folgt skizzieren.
o) Untersuchungen von Einflüssen bezüglich Variationen technolo­gischer Prozesse (process sensitivity) auf das grundsätzliche Verhalten mikrominiaturisierter Halbleiterbauelemente mittels Prozeß- und Bauelementsimulation.
o) Verbesserung der physikalischen Modelle moderner industriell eingesetzter Fertigungsschritte (z.B.: rapid thermal annealing)
o) Isolierung der kritischen Parameter für eine Verkleinerung (scaling) von integrierten Bauelementen.
o) Identifikation von parasitären Effekten (z.B.: interconnects).
o) Untersuchung der kritischen Parameter in Hinblick auf Langzeit­stabilität (aging) integrierter Bauelemente (z.B.: Untersuchung der Injektion heißer Ladungsträger in das Gate-Oxid)
o) Gewinnung von Ingenieurskonzepten zur Verbesserung und/oder Verkleinerung existenter integrierter Bauelemente.
Das Ziel der Untersuchungen im Rahmen dieser Schwerpunkte ist die Gewinnung von allgemeinen Richtlinien, welche anhand von konkreten Anwendungen und Bedürfnissen der AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTER­NATIONAL AG zu erproben sind.
Jedoch ist die reine numerische Analyse der Baulemente und derer Fertigungsschritte nicht ausreichend. Die Leistungssteigerung der Computer ermöglicht es heute, für viele Anwendungen sogenannte integrierte Systeme zu gestalten, welche auch einem nur gele­gentlichen Benutzer von komplexen Simulationsprogrammen eine leicht verwendbare Bedieneroberfläche mit hoher Funktionalität anbieten.
Zu diesem Thema wird am Institut für Mikroelektronik die Schaffung eines rigorosen Halbleitertechnologie-CAD-Systems unter dem Pro­jekttitel VISTA (Viennese Integrated System for Technology CAD Applications) im Rahmen mehrerer Dissertationen versucht. Die erste Dissertation zu dieser Thematik, welche mit der Entwicklung einer interaktiven Bedienungs- und Programmierumgebung für VISTA und deren Anwendung befaßt war, wurde schon im November 1993 von Herrn Dr.Hubert Pimingstorfer verfertigt; diese Arbeit wurde damals durch das 'Christian Doppler Labor' for Integrated Devices der Austrian Industries in enger Kooperation mit der AUSTRIA MIKRO SYSTEME GmbH finanziert. Im Rahmen des CHRISTIAN DOPPLER LABORATORIUMs FÜR INTEGRIERTE BAUELEMENTE werden Erweiterungen in Richtung integrierte mehrdimensionale Optimierung getätigt.
Eine derartige Entwicklungsumgebung erleichtert einem Halbleiter­hersteller, wie der AUSTRIA MIKRO SYSTEME INTERNATIONAL AG, den Einsatz von hochspezialisierten Simulationswerkzeugen für die Prozeß- und Bauelementanalyse bedeutend.