單軸應(yīng)變Si能帶結(jié)構(gòu)與nMOS電子遷移率研究.pdf

1、不斷按比例縮小器件的特征尺寸是改善超大規(guī)模集成電路（VLSI）和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）器件的傳統(tǒng)方法，然而隨著器件尺寸不斷逼近物理和技術(shù)的雙重極限，出現(xiàn)了一系列涉及材料、器件物理、器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)等方面的問(wèn)題。Si基應(yīng)變技術(shù)可以顯著提高M(jìn)OS器件的載流子遷移率，改善了體SiMOSFET的電學(xué)特性，并且與傳統(tǒng)Si工藝兼容，可以充分發(fā)揮Si基集成技術(shù)的潛力，成為延伸Moore定律的重要技術(shù)手段之一。本文對(duì)單軸應(yīng)變Si材料以及nMOS

2、FET遷移率進(jìn)行了研究。主要研究工作和成果如下：
　?。?）基于kp微擾理論，分析了單軸剪切應(yīng)力作用下布里淵區(qū)邊界處最低能帶之間的耦合作用，及其對(duì)導(dǎo)帶能谷極小值和能帶結(jié)構(gòu)的改變，建立了任意單軸應(yīng)力作用下任意導(dǎo)帶能谷的色散關(guān)系模型，對(duì)單軸應(yīng)變Si價(jià)帶哈密頓量進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，建立并采用價(jià)帶色散關(guān)系模型，研究分析了帶邊、亞帶邊、旋軌分裂帶Γ點(diǎn)處能級(jí)與晶面、晶向及應(yīng)力的理論關(guān)系，并且能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道比較接近?；趩屋S張/壓應(yīng)

3、變Si能帶結(jié)構(gòu)模型，分析了單軸張/壓應(yīng)力下導(dǎo)帶簡(jiǎn)并度、導(dǎo)帶態(tài)密度有效質(zhì)量、價(jià)帶劈裂能、價(jià)帶各向同性有效質(zhì)量以及價(jià)帶態(tài)密度有效質(zhì)量與晶面、晶向及應(yīng)力的理論關(guān)系，為反型層遷移率的相關(guān)研究奠定重要理論基礎(chǔ)。
　　（2）基于單軸應(yīng)變Si導(dǎo)帶色散關(guān)系模型以及三角形勢(shì)阱近似，利用解析方法分析了應(yīng)變SinMOS反型層的量子化特性。采用單軸應(yīng)變Si能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)并結(jié)合單軸應(yīng)力對(duì)界面電場(chǎng)的影響，提出了一個(gè)新的一維閾值表面勢(shì)模型，并通過(guò)求解二維泊松方程

4、，建立了[110]/(001)單軸應(yīng)力下納米尺度nMOS閾值電壓的解析模型，同時(shí)也考慮了短溝道效應(yīng)，量子化效應(yīng)等二級(jí)物理效應(yīng)。解析模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)以及理論結(jié)果符合得很好。此外，本文所建立的閾值電壓模型同樣也包括了溝道長(zhǎng)度，源/漏結(jié)深，柵介質(zhì)介電常數(shù)等器件關(guān)鍵參數(shù)，為納米尺度單軸應(yīng)變SinMOS的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要理論參考，并為反型層遷移率的相關(guān)分析提供了理論依據(jù)。
　　（3）基于三角形勢(shì)阱近似，并結(jié)合單軸應(yīng)變Si材料能

5、帶的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，研究并建立了單軸應(yīng)變SinMOSFET反型層子能級(jí)的能量色散關(guān)系以及溝道平面內(nèi)的橫縱有效質(zhì)量、量子化方向有效質(zhì)量模型。分析了溝道反型層中的載流子散射機(jī)制，據(jù)此建立了電子遷移率與晶面、晶向及應(yīng)力的理論模型，對(duì)典型的晶面/晶向的反型層遷移率進(jìn)行比較，并將本文所獲得的反型層遷移率增強(qiáng)百分比與文獻(xiàn)Monte-Carlo計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者相近且趨勢(shì)相同。本文模型結(jié)果表明：施加單軸應(yīng)力之后遷移率隨著應(yīng)力的增加而