对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管二维-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 14 (2014) 148502 对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应 晶体管二维解析模型 辛艳辉 刘红侠 王树龙 范小娇 1)(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) 2)(华北水利水电大学信息工程学院, 郑州 450045) ( 2014 年2 月16 日收到; 2014 年3 月14 日收到修改稿) 提出了对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构, 为该器件结构建立了全耗尽条 件下的表面势模型、表面场强和阈值电压解析模型, 并分析了应变对表面势、表面场强和阈值电压的影响, 讨 论了三栅长度比率对阈值电压和漏致势垒降低效应的影响, 对该结构器件与单材料双栅结构器件的性能进行 了对比研究. 结果表明, 该结构能进一步提高载流子的输运速率, 更好地抑制漏致势垒降低效应. 适当优化三 材料栅的栅长比率, 可以增强器件对短沟道效应和漏致势垒降低效应的抑制能力. 关键词: 应变硅, 金属氧化物半导体场效应晶体管, 表面势, 阈值电压 PACS: 85.30.De, 85.30.Hi, 85.35.–p DOI: 10.7498/aps.63.148502 端电场较强, 能够抑制短沟道效应并提高载流子 78 1 引 言 效率 . 基于栅结构的三材料栅(triple material gate, TG) 也已有相关报道. Razavi 和Orouji9 基 随着SOI 技术的发展, 特征尺寸得到进一步的 于模拟仿真结果解释了三材料双栅MOSFET 比双 缩小, 当特征尺寸进入深亚微米后器件的短沟道效 材料双栅MOSFET 和常规双栅MOSFET 的优越 应(short channel effect, SCE)、漏致势垒降低效应 性, 但是没有提出其理论模型. 文献[10] 运用阈值 (drain induced barrier lowering, DIBL)、热载流子 电荷技术, 提出了未掺杂全耗尽短沟道三材料双栅 效应(hot carrier effect, HCE) 和低驱动电流现象 MOSFET 的阈值电压模型. 文献[11] 又提出了沟 越来越严重12 . 研究能抑制SCE 并提高载流子输 道掺杂全耗尽短沟道三材料双栅MOSFET 的阈值 运效率的新器件结构已成为该领域的热点课题. 双 电压模型. 栅(double gate, DG) 金属氧化物半导体场效应管 为了进一步提高沟道载流子的输运速率, 本文 (metal oxide semiconductor field effect transistor, 将应变硅技术和三材料双栅MOSFET 相结合, 提 MOSFET) 由于大大加强了栅压对沟道电场的控 出了对称三材料双栅应变硅MOSFET 器件结构. 制能力3 , 表现出更为理想的亚阈值斜率, 降低漏 该器件假设为均匀掺杂沟道, 因此阈值电压定义为 致势垒降低效应, 提高载流子迁移率, 使其具有比 表面势最低点等于2ϕF (ϕF 为费米势) 时对应的栅 单栅器件更优异的性质, 是一种极具应用前景的 电压. 通过精确求解二维泊松方程, 建立了全耗尽 器件3−5 . Long 和Chin6 于1997 年提出了异质栅 条件下的表面势模型、表面场强和阈值电压解析模 (dual material gate, DMG