单轴应变Si能带结构与nMOS电子迁移率研究

摘要

不断按比例缩小器件的特征尺寸是改善超大规模集成电路（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）器件的传统方法，然而随着器件尺寸不断逼近物理和技术的双重极限，出现了一系列涉及材料、器件物理、器件结构和工艺技术等方面的问题。Si基应变技术可以显著提高MOS器件的载流子迁移率，改善了体SiMOSFET的电学特性，并且与传统Si工艺兼容，可以充分发挥Si基集成技术的潜力，成为延伸Moore定律的重要技术手段之一。本文对单轴应变Si材料以及nMOSFET迁移率进行了研究。主要研究工作和成果如下：
　　（1）基于kp微扰理论，分析了单轴剪切应力作用下布里渊区边界处最低能带之间的耦合作用，及其对导带能谷极小值和能带结构的改变，建立了任意单轴应力作用下任意导带能谷的色散关系模型，对单轴应变Si价带哈密顿量进行数学处理，建立并采用价带色散关系模型，研究分析了带边、亚带边、旋轨分裂带Γ点处能级与晶面、晶向及应力的理论关系，并且能带结构的计算结果与相关文献报道比较接近。基于单轴张/压应变Si能带结构模型，分析了单轴张/压应力下导带简并度、导带态密度有效质量、价带劈裂能、价带各向同性有效质量以及价带态密度有效质量与晶面、晶向及应力的理论关系，为反型层迁移率的相关研究奠定重要理论基础。
　　（2）基于单轴应变Si导带色散关系模型以及三角形势阱近似，利用解析方法分析了应变SinMOS反型层的量子化特性。采用单轴应变Si能带结构参数并结合单轴应力对界面电场的影响，提出了一个新的一维阈值表面势模型，并通过求解二维泊松方程，建立了[110]/(001)单轴应力下纳米尺度nMOS阈值电压的解析模型，同时也考虑了短沟道效应，量子化效应等二级物理效应。解析模型计算结果与文献报道的实验以及理论结果符合得很好。此外，本文所建立的阈值电压模型同样也包括了沟道长度，源/漏结深，栅介质介电常数等器件关键参数，为纳米尺度单轴应变SinMOS的设计优化提供了重要理论参考，并为反型层迁移率的相关分析提供了理论依据。
　　（3）基于三角形势阱近似，并结合单轴应变Si材料能带的相关结构参数，通过坐标系转换，研究并建立了单轴应变SinMOSFET反型层子能级的能量色散关系以及沟道平面内的横纵有效质量、量子化方向有效质量模型。分析了沟道反型层中的载流子散射机制，据此建立了电子迁移率与晶面、晶向及应力的理论模型，对典型的晶面/晶向的反型层迁移率进行比较，并将本文所获得的反型层迁移率增强百分比与文献Monte-Carlo计算结果进行对比，二者相近且趋势相同。本文模型结果表明：施加单轴应力之后迁移率随着应力的增加而增大。在中等电场强度下，晶面平均迁移率排序为(001)＞(101)＞(111)，尤以(001)晶面[110]晶向的迁移率最高，该结论可以为高速/高性能单轴应变SinMOSFET的晶面/晶向选择提供一定的理论依据。为了进一步分析器件结构与对迁移率的关系，根据阈值电压模型，将器件结构参数和迁移率统一联系起来，使用Sentaurus软件对nMOS的工艺过程进行模拟仿真，从中提取的迁移率与模型计算结果相近。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 MOS 器件应力引入方法及技术分类

1.3 国内外应变 Si 技术发展历程

1.4 应变 Si 技术发展趋势

1.5 本论文研究意义与研究内容

第二章 单轴应变 Si 材料能带结构研究

2.1 单轴应变张量模型

2.2 单轴应变 Si 导带色散关系

2.3 单轴应变 Si 价带结构

2.4 单轴应变 Si 能带关键结构参数

2.5 本章小结

第三章 单轴应变 Si nMOS 阈值电压研究

3.1 单轴应变 Si nMOS 反型层量子化特性

3.2 单轴应变 Si nMOS 阈值电压研究

3.3 阈值电压模型计算结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 单轴应变 Si nMOS 电子迁移率研究

4.1 体 Si 材料电子散射几率模型

4.2 应变 Si nMOS 电子迁移率增强机理概述

4.3 应变 Si nMOS 反型层子带色散关系

4.4 反型层电子态密度有效质量与电导率有效质量

4.5 反型层电子散射几率

4.6 反型层电子迁移率计算与讨论

4.7 迁移率与器件参数的关系

4.8 本章小结

第五章 总 结

5.1 论文的主要工作与成果

5.2 对进一步研究工作的考虑

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果