应变硅pMOS反型层中空穴迁移率k_p及蒙特卡罗模拟研究.pdf

第 27 卷 　第 12 期 半 　导 　体 　学 　报 Vol . 27 　No . 12 2006 年 12 月 C H IN ESE J OU RNAL O F SEM ICONDU C TOR S Dec . ,2006 应变硅 pMOS 反型层中空穴迁移率 k ·p 及蒙特卡罗模拟研究 赵 　寄 　邹建平 　谭耀华 　余志平 (清华大学微电子学研究所 , 北京 　100084) 摘要 : 对应变硅 p MO S 反型层中的空穴迁移率进行了理论研究. 使用应力相关的 6 能带 k ·p 模型 , 自洽地求解垂 直于沟道方向的一维薛定谔方程与泊松方程 ,获得反型层中二维空穴气的能带结构. 采用蒙特卡罗方法对单轴压 应力和双轴张应力情况下的空穴迁移率进行了模拟研究 ,得出了沟道迁移率随垂直于沟道电场变化的曲线 ,并与 常规的非应变硅 p MO S 迁移率进行了比较. 模拟结果显示 :无论是单轴压应力还是双轴张应力 ,都使得空穴迁移率 增大. 当单轴压应力沿着[ 110 ]沟道时 ,迁移率增大的幅度最大 ,平均增幅可达到 170 %左右. 关键词 : 应变硅 ; 迁移率 ; k ·p 方法 ; 蒙特卡罗模拟 PACC : 7220 F ; 7 115Q 中图分类号 : TN 386 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 02534 177 (2006) 122 14406 为 90n m 节点 p M OS 工艺中首选的迁移率增强方 1 　引言 法[ 8～10 ] . 单轴压应力可以更大程度地提高空穴的迁 移率. 通过外延生长 Si Ge 源漏区可以在沟道中引入 信息技术的不断发展对微电子技术以及集成电 单轴压应力 , 使得 p M OS 器件的性能得到很大的提 路产业提出了更高的要求. 特征尺寸的不断缩小一 高. Giles 等人[ 11 ] 采用经验赝势方法计算了单轴压 直是 CM OS 器件性能提高的主要途径. 但是随着器 应力引起的空穴能带结构的变化 , 并分析了迁移率 件尺寸进入纳米量级 , 器件尺寸的进一步缩小将面 提高的原因. W a n g 等人[ 12 ] 则使用 k ·p 的量子输 临着许多挑战. 因此 , 在现有器件尺寸条件下 , 探索 运模型分析了单轴和双轴应力情况下空穴迁移率的 新型器件结构和新材料对于提高 CM OS 器件的性 变化. 然而 , 到目前为止 , 仍然缺少一个全面的物理 能是十分重要的. 模型来描述单轴和双轴应力情况下空穴的输运 问 机械应力对硅材料特性的影响已经被研究了五 题[ 13 ] . 十多年. 近年来 , 应变 Si 沟道技术被应用到集成电 本文使用应力相关的 6 能带 k ·p 模型 , 自洽 路制造工艺中, 使得器件驱动电流增大 , 性能得以提 求解一维薛定谔方程和泊松方程 , 采用 N ew t on 高[ 1～3 ] . 这些研究主要集中在弛豫 Si Ge 衬底外延生 B r oy de n 算法改进了自洽求解过程的收敛性 , 最后 长应变 Si 沟道结构上. Si 与 Si Ge 材料之间的晶格 得到反型层中各向异性的空穴能带结构. 基于获得 失配导致在 Si 层中产生双轴张应力 , 使得载流子的 的二维子带结构 , 考虑声子形变势散射和表面粗糙 迁移率得到提高. 双轴应力情况下 Si 反型层中载流 度散射