高k栅介质应变SiSOIMOSFET的

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1、067第59卷第11期2010年11月物理学报Vol.59，No.11，November，20101000-3290/2010/59(11)/8131-06ACTAPHYSICASINICA2010Chin.Phys.Soc.高k栅介质应变SiSOIMOSFET的*阈值电压解析模型李劲刘红侠李斌曹磊袁博(西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安710071)(2009年10月27日收到;2010年2月6日收到修改稿)在结合应变Si，高k栅和SOI结构三者的优点的基础上，提出了一种新型的高k栅介质应变Si全耗尽SOIMOSFET结构.通过求解二维泊松方

2、程建立了该新结构的二维阈值电压模型，在该模型中考虑了影响阈值电压的主要参数.分析了阈值电压与弛豫层中的Ge组分、应变Si层厚度的关系.研究结果表明阈值电压随弛豫层中Ge组分的提高和应变Si层的厚度增加而降低.此外，还分析了阈值电压与高k栅介质的介电常数和应变Si层的掺杂浓度的关系.研究结果表明阈值电压随高k介质的介电常数的增加而增大，随应变Si层的掺杂浓度的提高而增大.研究了该结构的短沟道效应SCE(shortchanneleffect)和漏致势垒降低DIBL(draininducedbarrierlowering)效应，结果表明该结构能够很好地抑制SCE和DIBL效应.关键词:应变S

3、i，高k栅，短沟道效应，漏致势垒降低PACC:7340Q，7300，7360H本文结合了应变工程、栅工程和SOI结构三者1.引言的优点，提出了高k栅介质全耗尽应变SiSOIMOSFET(SSOIMOSFET)新结构，通过求解二维泊随着集成电路集成度的不断提高，MOS器件的松方程建立了该结构的二维阈值电压模型，模型中特征尺寸进入到纳米领域时，短沟道效应、漏致势考虑了影响阈值电压模型的主要参数.分析结果表垒降低效应成为纳米器件发展的严重限制因明该结构的器件对DIBL效应、SCE现象有很好的［1—3］素，并且随着器件特征尺寸的不断缩小器件性抑制作用.能逐渐趋近与物理极限.因此，必须采用新的方

4、法和新的技术提高器件的综合性能.应变Si技术可使2.二维阈值电压模型的建立应变Si中的电子和空穴的迁移率得到显著提高，与［4—6］常规工艺有良好的兼容性，已得到广泛的研究.考虑到器件的特征尺寸进入到纳米级以后，一同时，为了获得良好的器件性能，栅氧化层厚度也维器件模型已不能描述器件真实情况，于是本文建要相应的缩小.对于纳米尺度的MOS器件，其栅氧立了该新结构器件的二维阈值电压模型.该模型建化层厚度必须低于3nm，如此薄的氧化层会导致直立的主要过程是，首先建立了沟道中电势分布的泊接遂穿等一系列问题.所以，选取高k材料代替传统松方程;然后通过求解泊松方程得到了关于前沟道的SiO2层，可以提高

5、栅氧化层的物理厚度，大大减表面势的方程;再通过求解表面势并确定其最小［7—9］小直接遂穿电流.此外，SOI结构的器件克服了值;最后根据阈值电压的定义得到了二维阈值电压［10，11］传统结构器件的缺点，表现出良好的电特性，模型.如电容减小、载流子迁移率增大、电流驱动能力提图1给出了高k栅介质全耗尽SSOIMOSFET高、跨导增强和SCE效应减弱.的结构示意图，假设沟道区均匀掺杂，氧化层中的*国家自然科学基金(批准号:60976068，60936055)，教育部科技创新工程重大项目培育基金(批准号:708083)，教育部博士点基金(批准号:200807010010)资助的课题.E-mai

6、l:lijinpower@126.com8132物理学报59卷M是栅金属的功函数，VT是热电势.3)应变Si层和埋氧层界面处的电通量分别连续，即d(x，y)εoxV′SUB－(x，ts-Si)=，(4)dyy=ts-SiεSitb其中tb是埋氧层厚度，VS′UB=VSUB－(VFB，b)s-Si.而VSUB是衬底电压，考虑应变的作用相应参数得到了［13，14］修正(V)=(V)+ΔV，FB，bs-SiFB，bSiFB，b图1SSOIMOSFET结构示意图(V)=－，FB，bSisubSiχSiEg，Si固定电荷对沟道电势的影响可忽略.在强反型开启sub=++f-sub，q

7、2q前，应变Si层中电势分布的泊松方程可以表示为N22qN=Vlnsub.(x，y)(x，y)Af-subT()2+2=，ni，SixyεSi0≤x≤L，0≤y≤t，(1)－(ΔEC)s-Si(ΔEg)s-SiNV，Sis-SiΔVFB，b=q+q－VTln().N其中N是沟道中的掺杂浓度，ε是硅的介电常数，V，s-SiASits-Si是应变Si层厚度，L为器件的沟道长度.垂直方通过边界条件1)，2)，3)可得到c0(x)，c1(