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单轴应变 Si NMOSFET 模型及模拟技术研究
为了进一步提高半导体器件的性能,除了改进器件结构外,各种新材料与新
技术被不断地应用到器件的设计制造中。由于应变 Si 材料载流子迁移率高、带
隙可调,且应变 Si 技术与传统的 Si 工艺兼容等优点,其已成为高速高性能器件与
电路研究与应用的重要技术之一。在应变 Si 技术中,相对于双轴应变,单轴应变
更适用于 CMOS 集成电路制造,在高速高性能集成电路领域具有广阔的发展空间
和应用前景。
然而,单轴应变 Si 技术的引入使得器件性能获得提升的同时,其 I-V 特性、
C-V 特性、亚阈区特性、栅电流特性等与传统的Si 器件相比呈现了新的变化,如
果仅通过修改已有的 Si 器件模型参数值的方法难以描述出现的所有新特性,并
且描述出的电学特性总有一些不自洽存在,相应的 SPICE 仿真精度也难以达到应
用要求。因此,必须开发基于应变 Si 技术机理的器件模型来描述新的电学特性,
提高模型精度,同时控制模型复杂度,从而更好地应用于应变 Si 集成电路的
SPICE 仿真。为此,本文从单轴应变 Si 技术提升器件性能的机理出发,基于基本
的器件物理方程,对单轴应变 Si 器件的直流特性、瞬态特性、交流特性模型,以
及亚阈区特性模型、栅电流特性模型进行了系统、深入的研究,同时对新建的模
型通过仿真器***实现仿真的方法进行了研究,开展的主要研究工作和所取得的
主要成果为:1、对单轴应变 Si NMOSFET 基本器件结构及应变 Si 技术性能提升机
理进行了深入研究,在分析了单轴应力对有效质量和散射几率影响的基础上,建
立了能准确反映器件物理本质的单轴应变 Si NMOSFET 载流子迁移率模型。
同时给出了阈值电压与应力强度的关系,以及短沟道效应、漏致势垒降低效
应、窄沟道效应以及衬偏效应等对阈值电压的影响,最终建立了完整的阈值电压
模型。2、在建立了迁移率模型和阈值电压模型的基础上,基于器件不同的工作区
域,从基本的漂移扩散方程出发,分别推导求解了沟道电流方程。其中对于亚阈区
电流模型,基于常规采用有效沟道厚度近似方法建立的亚阈区电流模型存在精度
不能满足要求的问题,提出并采用求解亚阈区反型电荷方法建立了亚阈区电流模
型。
同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较,验证了模型的可行性。
所建模型可以准确地模拟单轴应变 Si NMOSFET 电学特性,适用于单轴应变 Si
NMOSFET 的集成电路设计与仿真。3、针对当前主流 SPICE 电荷模型尚未考虑应
力因素