单轴应变Si nMOS反型层量子化特性与阈值电压研究

摘要

随着MOS器件发展到深亚微米阶段，单轴应变Si已已经成为应变硅技术的主流被广泛应用。单轴应变硅技术主要通过在传统的MOSFET沟道中引入应力来增加载流子的迁移率；对器件的性能提升明显，工艺上容易实现。因此，对单轴应变Si的导带E(k)-k关系、反型层量子化特性及阈值电压等理论研究尤为重要。
　　 作为研究反型层量子化特性以及阈值电压的理论基础，本文首先讨论了剪切应力作用下布里渊区边界X点处△1和△2'能带之间的耦合作用及其对导带能谷极小值的改变，给出了任意单轴应力作用下每个能谷的E(k)-k关系，根据该E(k)-k关系，获得了平行、垂直于应力方向的有效质量；其次，讨论了单轴张应力对硅nMOSFET中反型层导带的量子化特性的影响，完成了定性和定量分析。并将应变与弛豫情况下对本征载流子浓度、本征能量、能量间距、反型层载流子距离界面的平均距离等特性作了比较，获得了应力弱化了nMOSFET中反型层导带量子化效应的结论；最后，基于材料的能带结构参数以及量子化特性，在考虑短沟道效应，量子化效应以及其他二级效应的前提下，通过求解二维泊松方程得到了应变Si nMOSFETs阈值电压模型，并对阈值电压随应力和器件关键参数变化做出分析，分析结果与已有数据相吻合。