單軸應(yīng)變Si NMOSFET模型及模擬技術(shù)研究.pdf

1、為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體器件的性能，除了改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)外，各種新材料與新技術(shù)被不斷地應(yīng)用到器件的設(shè)計(jì)制造中。由于應(yīng)變Si材料載流子遷移率高、帶隙可調(diào)，且應(yīng)變Si技術(shù)與傳統(tǒng)的Si工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，其已成為高速高性能器件與電路研究與應(yīng)用的重要技術(shù)之一。在應(yīng)變Si技術(shù)中，相對于雙軸應(yīng)變，單軸應(yīng)變更適用于CMOS集成電路制造，在高速高性能集成電路領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。然而，單軸應(yīng)變Si技術(shù)的引入使得器件性能獲得提升的同時，其I-V特性、C-

2、V特性、亞閾區(qū)特性、柵電流特性等與傳統(tǒng)的Si器件相比呈現(xiàn)了新的變化，如果僅通過修改已有的Si器件模型參數(shù)值的方法難以描述出現(xiàn)的所有新特性，并且描述出的電學(xué)特性總有一些不自洽存在，相應(yīng)的SPICE仿真精度也難以達(dá)到應(yīng)用要求。因此，必須開發(fā)基于應(yīng)變Si技術(shù)機(jī)理的器件模型來描述新的電學(xué)特性，提高模型精度，同時控制模型復(fù)雜度，從而更好地應(yīng)用于應(yīng)變Si集成電路的SPICE仿真。為此，本文從單軸應(yīng)變Si技術(shù)提升器件性能的機(jī)理出發(fā)，基于基本的器件物理

3、方程，對單軸應(yīng)變 Si器件的直流特性、瞬態(tài)特性、交流特性模型，以及亞閾區(qū)特性模型、柵電流特性模型進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，同時對新建的模型通過仿真器外掛實(shí)現(xiàn)仿真的方法進(jìn)行了研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對單軸應(yīng)變SiNMOSFET基本器件結(jié)構(gòu)及應(yīng)變Si技術(shù)性能提升機(jī)理進(jìn)行了深入研究，在分析了單軸應(yīng)力對有效質(zhì)量和散射幾率影響的基礎(chǔ)上，建立了能準(zhǔn)確反映器件物理本質(zhì)的單軸應(yīng)變Si NMOSFET載流子遷移率模型。同時給出了閾值電壓與應(yīng)

4、力強(qiáng)度的關(guān)系，以及短溝道效應(yīng)、漏致勢壘降低效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)以及襯偏效應(yīng)等對閾值電壓的影響，最終建立了完整的閾值電壓模型。⑵在建立遷移率模型和閾值電壓模型的基礎(chǔ)上，基于器件不同的工作區(qū)域，從基本的漂移擴(kuò)散方程出發(fā)，分別推導(dǎo)求解了溝道電流方程。其中對于亞閾區(qū)電流模型，基于常規(guī)采用有效溝道厚度近似方法建立的亞閾區(qū)電流模型存在精度不能滿足要求的問題，提出并采用求解亞閾區(qū)反型電荷方法建立了亞閾區(qū)電流模型。同時將所建模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比

5、較，驗(yàn)證了模型的可行性。所建模型可以準(zhǔn)確地模擬單軸應(yīng)變Si NMOSFET電學(xué)特性，適用于單軸應(yīng)變Si NMOSFET的集成電路設(shè)計(jì)與仿真。⑶針對當(dāng)前主流SPICE電荷模型尚未考慮應(yīng)力因素，提出并分別建立了基于應(yīng)力的單軸應(yīng)變Si NMOSFET積累區(qū)、耗盡區(qū)、亞閾區(qū)及反型區(qū)的電荷模型，同時通過平滑函數(shù)，最終獲得了具有連續(xù)性的單軸應(yīng)變Si NMOSFET的16個微分電容模型。模型揭示了應(yīng)力對相關(guān)電容的作用與影響，并將微分電容的仿真結(jié)果與實(shí)

6、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所建模型的正確性。同時對相關(guān)電容與應(yīng)力強(qiáng)度、偏置電壓、溝道長度、柵極摻雜濃度等的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。并且建立了寄生元件模型、襯底結(jié)電荷與電容模型以及模型參數(shù)的溫度依賴效應(yīng)模型。⑷為了解決主流SPICE柵電流模型僅通過公式擬合的方法應(yīng)用于單軸應(yīng)變Si NMOSFET而導(dǎo)致機(jī)制缺失及影響精度的問題，本章在深入分析熱載流子?xùn)烹娏骷皷潘泶╇娏鳟a(chǎn)生的微觀物理機(jī)制基礎(chǔ)上，提出并分別建立了包含應(yīng)力作用的單軸應(yīng)變Si NMOSF

7、ET熱載流子?xùn)烹娏骷皷潘泶╇娏髂Ｐ?。模型考慮了熱載流子面密度、注入效率、溢出幾率、隧穿幾率等影響，同時對柵電流與應(yīng)力強(qiáng)度、溝道摻雜濃度、柵源電壓、漏源電壓等的關(guān)系，以及TDDB(經(jīng)時擊穿)壽命與柵源電壓的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。⑸在建立直流特性、瞬態(tài)特性、交流特性模型，以及亞閾區(qū)特性模型、柵電流特性模型的過程中，引入了應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)，使得所建立的模型能直觀地反映出電學(xué)特性與應(yīng)力強(qiáng)度、應(yīng)力類型等的關(guān)系，并且模型物理意義明確，有利于應(yīng)變Si NM

8、OSFET器件的分析和設(shè)計(jì)。⑹基于單軸應(yīng)變SiNMOSFET等效電路、器件參數(shù)、器件方程，采用verilogA語言實(shí)現(xiàn)了可以被SPICE仿真器外掛的器件模型文件，實(shí)現(xiàn)了與SPICE資源共享的單軸應(yīng)變 Si器件和電路的仿真。該方法開發(fā)靈活，利于模型的進(jìn)一步改進(jìn)和升級。利用課題組同步開發(fā)的參數(shù)提取軟件ParaPlus++提取了模型參數(shù)，通過仿真結(jié)果與器件測試結(jié)果比較，驗(yàn)證了所建模型的正確性，實(shí)現(xiàn)了主流仿真器精確進(jìn)行單軸應(yīng)變Si器件和電路仿真