纳米双栅MOSFET器件中单元杂质效应研究

摘要

随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)尺寸的不断缩小，当器件尺寸缩小至纳米尺度时，量子力学效应开始凸显并且显著改变了器件的物理特性。在这种情况下，传统的基于玻尔兹曼输运方程以及在其基础上建立的经典器件模拟方法将不再适用。本文中我们利用一种三维全量子力学原子论方法来研究纳米尺度双栅金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(DG-MOSFET)。运用应变体带布洛赫态线性组合(SLCBB)方法求解器件区域内的薛定谔方程从而得到系统的电子态{E，Ψi（r)}，然后通过势垒顶部波函数分解(TBS)输运模型得到器件区域内的占据电荷密度和净电流，进而与泊松方程耦合进行自洽求解，与目前应用比较广泛的紧束缚近似-非平衡格林函数方法相比较，这种方法在保持计算准确性的同时又大大降低了计算时间。
　　本文中，我们应用这种全量子力学的模拟方法研究了10纳米双栅金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(10nm-DG-MOSFET)中的单杂质效应。
　　首先，研究了不同类型的单杂质掺杂对10纳米双栅MOSFET器件性能的影响，分为N型杂质和P型杂质这两种情况。计算结果表明:这两种类型的杂质原子对双栅MOSFET器件沟道内净电流、沟道内占据电荷密度分布以及沟道内势垒分布均有比较明显的影响，并且不同类型的杂质原子使得双栅MOSFET器件性质的变化趋势不一样，例如，N型杂质原子使得净电流略偏大，而P型杂质原子使得净电流略偏小。
　　其次，研究了单杂质原子的掺杂浓度在沟道内均匀分布情况和非均匀分布（杂质原子在沟道内中心位置）情况下，双栅MOSFET器件沟道内净电流、占据电荷密度以及势垒分布的变化。计算结果表明，由于器件尺寸非常小，使得器件在整个沟道区域内的杂质原子数目非常少，假设杂质均匀分布的计算结果不很准确，表现为:一、与非均匀掺杂情况有较明显的区别;二、不能描述掺杂原子的随机波动引起的器件性质的随机涨落问题。
　　最后，研究了单杂质原子在沟道内不同位置时对10纳米双栅MOSFET器件性能的影响，取了沟道内三个不同位置:沟道左侧（近源区）、沟道中心、沟道右侧（近漏区）。计算结果表明:杂质原子在沟道内不同位置时双栅MOSFET器件净电流、沟道内占据电荷密度分布以及沟道内势垒分布均有相应的变化，与没有掺杂的情况相比，杂质原子在沟道中心位置或靠近源区时对双栅MOSFET器件净电流、沟道内占据电荷密度以及沟道内势垒分布影响比较大，而当杂质原子在沟道右侧靠近漏区时对双栅MOSFET器件的相关性质影响比较小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MOSFET器件的发展及其面临的挑战

1．2 提升纳米尺寸器件性能的解决方案

1．21 栅／栅介质工程

1．22 沟道工程

1．23 源漏工程

1．24 新型MOSFET器件结构

1．3 纳米器件中的量子力学效应和理论研究方法

1．4 双栅MOSFET器件的研究现状及单杂质效应

1．41 双栅MOSFET器件研究现状

1．42 双栅MOSFET器件中的单杂质掺杂效应

1．5 本文安排

第二章 量子力学模拟方法(LCBB_TBS)理论介绍

2．1 小尺寸MOSFET器件理论研究-原则和模拟方法

2．11 纳米MOSFET器件理论研究的关键问题

2．12 电子性质的求解-薛定谔方程

2．13 量子输运模型

2．2 量子力学模拟理论模型介绍

2．21 LCBB(Linear combination of bulk bands)方法介绍

2．22 准费米能级(QFL)模型

2．23 势垒顶部波函数分解(TBS)模型

2．3 本章小结

第三章 不同类型的杂质对双栅MOSFET性质的影响

3．1 无掺杂时双栅MOSFET器件的性质

3．2 N型掺杂对双栅MOSFET器件性质的影响

3．3 P型掺杂对双栅MOSFET器件性质的影响

3．4 P型杂质均匀掺杂对双栅MOSFET器件性质的影响

3．5 本章小结

第四章 掺杂位置不同时对双栅MOSFET性质的影响

4．1 N型杂质在沟道左侧时对双栅MOSFET性质的影响

4．2 P型杂质在沟道左侧时对双栅MOSFET性质的影响

4．3 N型掺杂在沟道右侧时对双栅MOSFET性质的影响

4．4 P型杂质在沟道右侧时对双栅MOSFET性质的影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献