应变Si NMOS器件集约模型研究

【摘要】随着微电子技术的不断发展，传统的Si材料、Si器件受到了诸多挑战，半导体器件的性能因材料和器件物理特性的限制难以继续提高，为此，需要采用新型材料与器件结构以获得半导体器件性能的进一步改善。在此背景下，硅基双轴应变技术应运而生。随着应力的引入，Si和SiGe材料的能带结构发生了改变，材料载流子迁移率获得提升，使得基于该技术的MOS器件性能增强，同时，硅基双轴应变材料容易实现大面积生长，器件的制备技术与传统Si工艺的相兼容，因此，以应变Si、应变SiGe为代表的硅基双轴应变技术成为了国内外研究机构的研究热点，在航空、航天和通讯等领域具有极大的发展空间和应用前景。本文重点对应变SiNMOS器件集约模型进行了研究。主要研究工作和成果如下：1.对应变SiNMOS器件基本结构及其工作原理进行了研究，首次建立了完整且能准确反映器件微观物理本质的双轴应变SiNMOSFET直流、大信号和小信号等效电路。该等效电路全面描述了载流子输运的物理机制，可以准确的模拟应变SiNMOS器件特性，适用于基于应变SiNMOSFET的集成电路设计与仿真。2.对应变Si/SiGe结构进行了研究，针对应变SiNMOS积累区出现的台阶效应，揭示了器件纵向结构的微观输运机制，提出了应变SiNMOS积累区C-V特性中“台阶”的形成机理。通过在不同偏置条件下求解泊松方程，研究了应变SiMOS双端结构电荷-电压特性，建立了统一的MOS电容解析模型，该模型具有连续性，解决了已有模型存在的不连续问题。3.基于应变SiNMOSFET直流、交流工作条件下的端口电流方程及其等效电路，建立了器件的直流、交流参数模型，模型包括：阈值电压、漏电流、衬底电流、本征电容、寄生电容、寄生电阻和寄生二极管。阈值电压、漏电流和衬底电流模型的建立采用准二维分析的方法，详细分析了小尺寸效应对模型参数的影响，同时在漏电流模型中采用平滑函数，解决了模型的连续性问题。在分析密勒（Meyer）模型缺点的基础上，建立了基于电荷的电容模型，解决了电荷守恒问题，同时采用平滑函数，实现了器件端口电荷和电容模型，从亚阈值区到强反型区以及从线性区到饱和区的平滑性，解决了模型的连续性问题。4.基于本课题组自主开发的应变SiMOS器件模型参数提取软件及EDA仿真外挂包，验证了所建立的等效电路及其参数模型的正确性，实现了基于SPICE资源共享的硅基应变MOS器件的仿真。
【作者】周春宇；
【导师】张鹤鸣；庄奕琪；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】应变SiNMOSFET；阈值电压；漏电流；等效电路；电荷；平滑函数；

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