论文部分内容阅读
[摘要]在分析应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET的在栅极电压作用下电荷在栅氧化层下面的分布情况的基础上，通过求解泊松方程，得到此器件的隐埋SiGe沟道阈值电压解析模型和表面沟道的阈值电压解析模型，并用典型参数对模型进行了模拟，得到的模拟结果与实验结果能够很好的吻合。
[关键词]SiGe MOSFET器件 阈值电压 解析模型
中图分类号：TM8 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1220008－01
一、前言
随着MOS器件的物理尺寸越来越接近极限值，迫切需要寻找新的材料或研制新的器件结构来满足飞速增长的器件速度的要求。近年来的研究发现应变Si沟道可以明显提高电子、空穴的迁移率，应变SiGe沟道可以提高空穴迁移率[1]。而要与CMOS工艺兼容，需同时提高nMOS和pMOS管的性能。人们提出了一些应用应变来改善性能的CMOS结构[2]，但是大部分的结构中，nMOS管pMOS管都是分别制作在Si片上，生产步骤繁琐，工艺复杂，成本高。最近提出了一种双应变（应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET）CMOS结构[3]，这种结构同时利用了应变Si对电子迁移率的增强和应变SiGe对空穴迁移率的增强作用，通过掺入不同杂质，即可用作nMOS管或用作pMOS管，工艺简单，是目前最有前途的一种利用应变来提高SiCMOS集成电路性能的结构。用作nMOSFET时是应变Si表面沟道器件，应变Si nMOS已经有很多文献进行了模拟[4]。作为pMOSFET时是隐埋SiGe沟道器件，都没有考虑在栅极电压作用下表面沟道开启的情况。本文对此种CMOS结构中的pMOSFET进行了阈值电压的解析模型建立及模拟，结果显示，模拟结果与实验结果能够很好的吻合。
二、器件结构和工作原理
应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET器件的结构如图1所示，从下往上依次为掺杂Si衬底、组分渐变SiGe缓冲层、驰豫Si1-XGeX层、压应变Si1-YGeY层(Y>X)、张应变Si盖帽层、SiO2绝缘层、多晶硅栅。作为nMOS器件时，源、漏和栅都是n＋掺杂，栅、漏接正电压；作pMOS器件时，源、漏和栅为p＋掺杂，栅、漏接负电压。本文中使用的实验参数典型值为tox＝3.8nm，tcap＝4.6nm，tSiGe＝12nm，tbuff＝2μm，X=0.3，Y=0.6，L=20μm，W＝313μm，衬底掺杂浓度ND=5×1016cm-3。
由于Si/SiGe层价带不连续而形成势垒，使得在栅极电压VGS的作用下Si1-YGeY层中的电子先于Si盖帽层中的电子被排斥，形成耗尽层，接着空穴被吸引到Si/SiGe界面的SiGe沟道，形成反型层。随着|VGS|的增大，SiGe沟道中空穴浓度不断增大，定义使得SiGe沟道空穴浓度等于衬底掺杂浓度时的栅压VTH为SiGe沟道的阈值电压。在表面沟道未开启前，此MOSFET如同一个常规pMOS器件，具有截止区、线性区和饱和区三个工作区域。随着|VGS|的继续增大，SiGe沟道的空穴面密度达到最大值pHsm，继而空穴会越过Si/SiGe价带势垒到达Si/SiO2界面的Si盖帽层中，并在Si表面沟道中积累。定义当表面沟道中的空穴浓度增加到等于衬底掺杂浓度表面沟道开启时的栅压VTS为表面沟道的阈值电压。此时，器件的两个沟道都开启了，两个沟道分别具有截止区、线性区和饱和区三个工作区域。
三、阈值电压模型
（一）SiGe沟道阈值电压VTH
随栅压|VGS|的增大，衬底中耗尽层宽度增加，当|VGS|增加到|VTH|时，耗尽层宽度达到最大值Wm，此后耗尽层宽度不再随|VGS|的增大而增大，SiGe沟道空穴浓度等于体内衬底掺杂浓度ND，此时Si/Si1-YGeY界面的表面势为：
Vt是热电压，ΔEV是Si1-YGeY与应变Si层的价带不连续值，ΔEV=0.74Y eV，Y是应变Si1-YGeY层中Ge的摩尔组分，NVsi和NVsiGe是价带态密度，假设NVsi≈NVsiGe，由式(1)可以得到：
Si/Si1-YGeY界面SiGe沟道阈值电压VTH表达式为：
VFB是平带电压，COX是氧化层电容，Ccap是盖帽层电容，C是氧化层和盖冒层的串联电容，Qdp=qNDWm为耗尽层电荷，Wm是耗尽层厚度。代入上面给的典型参数计算得到埋沟阈值电压为-0.29V。
（二）表面沟道阈值电压VTS
当|VGS|>|VTH|，Si/SiGe界面的电势保持不变，但是随着|VGS|的增大，SiGe层的空穴浓度不断增大，跨越Si盖帽层和氧化层的电势差增加，SiGe沟道的空穴面密度达到最大值，继而空穴会越过Si/SiGe价带势垒到达表面Si沟道，当|VGS|增大到表面沟道阈值电压|VTS|，能带充分弯曲使SiO2/Si界面产生强反型层，表面沟道空穴浓度等于衬底掺杂浓度，所以SiO2/Si界面电势øTS=2øFp，忽略表面沟道未开启前的表面沟道电荷，得到SiGe沟道的空穴面密度达到最大值pHsm时VGS=VTS。所以，表面沟道阈值电压为：
在SiGe沟道求解一维泊松方程，得到Si/SiGe界面处的跨越SiO2和Si盖帽层的电场：
pHs为SiGe沟道空穴面密度，所以当|VGS|>|VTH|有栅压：
联立VTH公式（4）得到
因为当VGS等于表面沟道阈值电压VTS的时候，pHs达到最大值pHsm，所以有
将式（9）代入式（5）得到
这就是Si表面沟道的阈值电压表达式。代入文中上面给的典型参数计算得到表面沟道阈值电压为-1.79V。
四、结论
本文分析了应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET的在栅极电压作用下电荷在栅氧化层下面的分布情况，通过求解泊松方程，得到此种结构器件的隐埋SiGe沟道阈值电压解析模型和表面沟道的阈值电压解析模型，并用典型参数对模型进行了模拟，得到的模拟结果与实验结果吻合能够很好的吻合，说明本文的解析模型能够对隐埋SiGe沟道pMOSFET的性能进行较好的模拟，模型实用性强。
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（批准号：06JJ2085）
湖南省教育厅科学研究基金资助项目（批准号：07D025）
参考文献：
[1]J.Berntgen,A.Schueppen,P.Maier et all.SiGe technology bears fruits[J].Materials Science and Engineering,2002,B89：1320.
[2]E.H.C.Parker,T.E.Whall. SiGe heterostructure CMOS circuits and applications [J].Solid-State Electronics,1999,43：1497-1506.
[3]Jung J,Lee ML,Yu S,Fitzgerald EA,Antoniadis DA. Implementation of both high-hole and electron mobility in strained Si/strained Si1_yGey on relaxed Si1_xGex(x [4]S.Chattopadhyay,L.D.Driscoll,K.S.K.K wa,et all.Strained Si MOSFETs on relaxed SiGe platforms：performance and challenges.Solid-State Electronics,2004,48：1407-1416.
作者简介：
周少华，男，湖南祁阳人，硕士，副教授，主要研究方向为电子器件与系统。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]SiGe MOSFET器件 阈值电压 解析模型
中图分类号：TM8 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1220008－01
一、前言
随着MOS器件的物理尺寸越来越接近极限值，迫切需要寻找新的材料或研制新的器件结构来满足飞速增长的器件速度的要求。近年来的研究发现应变Si沟道可以明显提高电子、空穴的迁移率，应变SiGe沟道可以提高空穴迁移率[1]。而要与CMOS工艺兼容，需同时提高nMOS和pMOS管的性能。人们提出了一些应用应变来改善性能的CMOS结构[2]，但是大部分的结构中，nMOS管pMOS管都是分别制作在Si片上，生产步骤繁琐，工艺复杂，成本高。最近提出了一种双应变（应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET）CMOS结构[3]，这种结构同时利用了应变Si对电子迁移率的增强和应变SiGe对空穴迁移率的增强作用，通过掺入不同杂质，即可用作nMOS管或用作pMOS管，工艺简单，是目前最有前途的一种利用应变来提高SiCMOS集成电路性能的结构。用作nMOSFET时是应变Si表面沟道器件，应变Si nMOS已经有很多文献进行了模拟[4]。作为pMOSFET时是隐埋SiGe沟道器件，都没有考虑在栅极电压作用下表面沟道开启的情况。本文对此种CMOS结构中的pMOSFET进行了阈值电压的解析模型建立及模拟，结果显示，模拟结果与实验结果能够很好的吻合。
二、器件结构和工作原理
应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET器件的结构如图1所示，从下往上依次为掺杂Si衬底、组分渐变SiGe缓冲层、驰豫Si1-XGeX层、压应变Si1-YGeY层(Y>X)、张应变Si盖帽层、SiO2绝缘层、多晶硅栅。作为nMOS器件时，源、漏和栅都是n＋掺杂，栅、漏接正电压；作pMOS器件时，源、漏和栅为p＋掺杂，栅、漏接负电压。本文中使用的实验参数典型值为tox＝3.8nm，tcap＝4.6nm，tSiGe＝12nm，tbuff＝2μm，X=0.3，Y=0.6，L=20μm，W＝313μm，衬底掺杂浓度ND=5×1016cm-3。
由于Si/SiGe层价带不连续而形成势垒，使得在栅极电压VGS的作用下Si1-YGeY层中的电子先于Si盖帽层中的电子被排斥，形成耗尽层，接着空穴被吸引到Si/SiGe界面的SiGe沟道，形成反型层。随着|VGS|的增大，SiGe沟道中空穴浓度不断增大，定义使得SiGe沟道空穴浓度等于衬底掺杂浓度时的栅压VTH为SiGe沟道的阈值电压。在表面沟道未开启前，此MOSFET如同一个常规pMOS器件，具有截止区、线性区和饱和区三个工作区域。随着|VGS|的继续增大，SiGe沟道的空穴面密度达到最大值pHsm，继而空穴会越过Si/SiGe价带势垒到达Si/SiO2界面的Si盖帽层中，并在Si表面沟道中积累。定义当表面沟道中的空穴浓度增加到等于衬底掺杂浓度表面沟道开启时的栅压VTS为表面沟道的阈值电压。此时，器件的两个沟道都开启了，两个沟道分别具有截止区、线性区和饱和区三个工作区域。
三、阈值电压模型
（一）SiGe沟道阈值电压VTH
随栅压|VGS|的增大，衬底中耗尽层宽度增加，当|VGS|增加到|VTH|时，耗尽层宽度达到最大值Wm，此后耗尽层宽度不再随|VGS|的增大而增大，SiGe沟道空穴浓度等于体内衬底掺杂浓度ND，此时Si/Si1-YGeY界面的表面势为：
Vt是热电压，ΔEV是Si1-YGeY与应变Si层的价带不连续值，ΔEV=0.74Y eV，Y是应变Si1-YGeY层中Ge的摩尔组分，NVsi和NVsiGe是价带态密度，假设NVsi≈NVsiGe，由式(1)可以得到：
Si/Si1-YGeY界面SiGe沟道阈值电压VTH表达式为：
VFB是平带电压，COX是氧化层电容，Ccap是盖帽层电容，C是氧化层和盖冒层的串联电容，Qdp=qNDWm为耗尽层电荷，Wm是耗尽层厚度。代入上面给的典型参数计算得到埋沟阈值电压为-0.29V。
（二）表面沟道阈值电压VTS
当|VGS|>|VTH|，Si/SiGe界面的电势保持不变，但是随着|VGS|的增大，SiGe层的空穴浓度不断增大，跨越Si盖帽层和氧化层的电势差增加，SiGe沟道的空穴面密度达到最大值，继而空穴会越过Si/SiGe价带势垒到达表面Si沟道，当|VGS|增大到表面沟道阈值电压|VTS|，能带充分弯曲使SiO2/Si界面产生强反型层，表面沟道空穴浓度等于衬底掺杂浓度，所以SiO2/Si界面电势øTS=2øFp，忽略表面沟道未开启前的表面沟道电荷，得到SiGe沟道的空穴面密度达到最大值pHsm时VGS=VTS。所以，表面沟道阈值电压为：
在SiGe沟道求解一维泊松方程，得到Si/SiGe界面处的跨越SiO2和Si盖帽层的电场：
pHs为SiGe沟道空穴面密度，所以当|VGS|>|VTH|有栅压：
联立VTH公式（4）得到
因为当VGS等于表面沟道阈值电压VTS的时候，pHs达到最大值pHsm，所以有
将式（9）代入式（5）得到
这就是Si表面沟道的阈值电压表达式。代入文中上面给的典型参数计算得到表面沟道阈值电压为-1.79V。
四、结论
本文分析了应变Si／应变Si1-YGeY／驰豫Si1-XGeX pMOSFET的在栅极电压作用下电荷在栅氧化层下面的分布情况，通过求解泊松方程，得到此种结构器件的隐埋SiGe沟道阈值电压解析模型和表面沟道的阈值电压解析模型，并用典型参数对模型进行了模拟，得到的模拟结果与实验结果吻合能够很好的吻合，说明本文的解析模型能够对隐埋SiGe沟道pMOSFET的性能进行较好的模拟，模型实用性强。
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（批准号：06JJ2085）
湖南省教育厅科学研究基金资助项目（批准号：07D025）
参考文献：
[1]J.Berntgen,A.Schueppen,P.Maier et all.SiGe technology bears fruits[J].Materials Science and Engineering,2002,B89：1320.
[2]E.H.C.Parker,T.E.Whall. SiGe heterostructure CMOS circuits and applications [J].Solid-State Electronics,1999,43：1497-1506.
[3]Jung J,Lee ML,Yu S,Fitzgerald EA,Antoniadis DA. Implementation of both high-hole and electron mobility in strained Si/strained Si1_yGey on relaxed Si1_xGex(x
作者简介：
周少华，男，湖南祁阳人，硕士，副教授，主要研究方向为电子器件与系统。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”