State-of-the-art 3-D Monte Carlo Device Simulation : from n-MOSFETs to n-FinFETs

Abstract

A novel 3-D TCAD Monte Carlo n-type semiconductor device simulator is presented in this work. The first step to achieve such comprehensive simulator was to develop a n-type bulk-Si simulator to be used as the basis for the device simulator. A planar PMOS simulator was then fundamentally adapted to a planar NMOS device simulator by incorporating the n-type bulk Si characteristics and properly changing far-reaching aspects such as carrier dynamics, boundary conditions, scattering mechanisms and their occurrence rates, and band structure. Later, the NMOS device simulator was expanded to tridimensional FinFET structures, accounting for the changes in the device geometry and its impact in boundary checking, the materials on each region, new input variables, potential calculation, velocity and energy calculations, carrier and dopant positions on the new 3-D device, source, drain and gate contacts, and charge conservation. The simulator accounts for real-space treatment of carrier carrier and carrier-ion interactions. This allows the study of the impact of individual, localized charges and their impact on device variability, besides of avoiding the double-counting of the Coulomb forces which is traditionally attached to momentum-space modelling. In order to substantiate the obtained results, the bulk-Si characteristics were validated with experimental data, and the NMOS and n-FinFET behavior was analyzed and compared to the expected characteristics. The FinFET simulator was then used to obtain novel insights in the study of hot-carrier degradation, which is a major reliability concern on state-of-the-art transistors. The 3-D particle-based simulator was also employed to evaluate ballistic transport under a carrier centric perspective in deeply scaled FinFETs, and it is now being used to study trap coupling in such devices.

Um simulador 3-D TCAD Monte Carlo de dispositivos semicondutores inédito é apresentado nesse trabalho. Primeiramente, desenvolveu-se um simulador de substrato de silício tipo n, usado como base para o simulador de dispositivos. Um simulador planar PMOS foi então substancialmente adaptado para simular dispositivos NMOS através da incorporação das características do silício tipo n e de mudanças necessárias em aspectos como dinâmica de partículas, condições de fronteira, mecanismos de espalhamento e suas taxas de ocorrência e a estrutura de bandas do material. Posteriormente, o simulador NMOS foi expandido para estruturas FinFET tridimensionais, levando em consideração as mudanças na geometria do dispositivo e sua repercussão na checagem das fronteiras, nos materiais em cada região, novas variáveis de entrada, cálculo do potencial, velocidade e energia dos portadores, posições dos portadores e dos dopantes na nova estrutura 3D, contatos de fonte, dreno e porta e conservação de carga. O simulador conta com tratamento no espaço-real das interações portador-portador e portador-íon. Isso possibilita o estudo do impacto de cargas individuais e localizadas e seu impacto na variabilidade do dispositivo, além de evitar a dupla-contagem das forças de Coulomb que tradicionalmente são associadas à modelagem no espaço momento. A fim de substanciar os resultados obtidos, as características do substrato de silício foram validadas com dados experimentais, e o comportamento dos dispositivos NMOS e n FinFET foram analisados e comparados com as características esperadas. O simulador FinFET foi então usado para proporcionar novo entendimento do estudo de degradação por hot-carriers, que é um grande problema de confiabilidade em transistores modernos. O simulador 3-D de partículas foi também empregado para analisar o transporte balístico sob uma perspectiva centrada no portador em FinFETs, e está sendo utilizado agora para estudar acoplamento de armadilhas nesses dispositivos.