Si1-xGexMOSFETs模拟技术研究

论文摘要

为得到适用于VLSI电路仿真的模型，本文从器件的物理机制出发，采用解析的方法，重点研究并建立了应变硅表面沟道N／P MOSFET和量子SiGe沟道PMOSFET三种典型的SiGe MOSFET器件模型。基于器件的物理机制，本论文在假定沿沟道方向的电势分布与距离成平方关系的前提下，将二维泊松方程简化为一维泊松方程。然后采用电压-杂质变换的方法，将应变硅表面沟道N／P MOSFFET和量子SiGe沟道PMOSFET的阈值电压模型拟合到传统的长沟道阈值电压模型中，充分利用了长沟道阈值电压模型的简洁性。这三种模型均考虑了Ge摩尔组分对禁带宽度、电子亲合势、有效状态密度（Nc、Nv）的影响，同时也考虑了衬底偏置效应。MEDICI仿真模拟对比结果证实了这三种模型的准确性。本论文采用多项式拟合的方法得到了应变硅MOSFET反型层载流子迁移率的低场增强因子模型。在此基础上，从器件物理出发，建立了全温度范围的应变硅表面沟道N／P MOSFFET的有效电子迁移率模型。该模型中充分考虑了Ge组分、库仑散射、体晶格和表面晶格散射、表面散射、载流子散射及反型层沟道载流子的量子效应等的影响。迁移率低场增强因子模型的建立使得应变硅MOSFET可以直接使用硅MOSFET的迁移率模型，如PSPICE BSIMV3中的相关模型，为应变硅VLSI电路模拟提供了一条捷径。本论文利用多项式拟合的方法得到了应变锗硅PMOSFET反型层载流子迁移率的低场增强因子模型。在此基础上，从器件物理出发，建立了全温度范围的对量子SiGe沟道PMOSFET的有效空穴迁移率模型。该模型充分考虑了Ge组分、库仑散射、体晶格和表面晶格散射、合金散射及载流子散射的影响，也包括了反型层沟道载流子的量子效应。在建立了阈值电压和有效迁移率模型之后，建立了MOSFET的I-V特性模型，导出了电学参数：跨导、漏导和特征频率。对量子SiGe沟道PMOS器件的电流特性，在模型中考虑了表面硅帽层开启后，在硅帽层中的电流，从而建立了较完整的电流特性模型。最后，采用C++Builder6编制了相关的器件特性仿真软件SiGe-Sim。SiGe-Sim主要由迁移率仿真模块、阈值电压参数扫描模块、直流扫描模块和迁移率模型参数修正模块组成，可以完成漏源电流、迁移率、跨导、漏导和特征频率等电气参数的计算。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1. 1 引言

1. 2 国内外的研究状况

1. 3 本论文的主要研究内容

第二章锗硅材料的性质

2. 1 Si/SiGe晶格

2. 2 能带结构

2. 2. 1 应力对硅的影响

1-xGe_x的影响'>2. 2. 2 应力对应变Si_1-xGe_x的影响

2. 3 传输特性

2. 3. 1 驰豫SiGe

2. 3. 2 应变SiGe

2. 3. 3 应变硅

2. 4 小结

第三章应变硅表面沟道NMOSFET

3. 1 应变硅NMOSFET短沟道阈值电压模型

3. 1. 1 长沟道应变硅NMOS阈值电压模型

3. 1. 2 短沟道应变硅NMOS阈值电压模型

3. 1. 3 模拟计算与结果分析

3. 1. 4 结论

3. 2 应变硅NMOSFET有效迁移率模型

3. 2. 1 晶格散射决定的迁移率

3. 2. 2 库仑散射决定的迁移率

3. 2. 3 表面散射决定的迁移率

3. 2. 4 载流子间散射决定的迁移率

3. 2. 5 应变硅NMOSFET的有效迁移率模型

3. 2. 6 结论

3. 3 应变硅表面沟道NMOSFET电学特性

3. 3. 1 有效迁移率

3. 3. 2 Ⅰ-Ⅴ特性

3. 3. 3 跨导、漏导和特征频率

3. 4 小结

第四章应变硅表面沟道PMOSFET

4. 1 应变硅表面沟道PMOSFET短沟道阈值电压模型

4. 1. 1 长沟道阈值电压模型

4. 1. 2 短沟道阈值电压模型

4. 1. 3 结果讨论

4. 1. 4 结论

4. 2 应变硅PMOSFET反型层空穴迁移率模型

4. 2. 1 晶格散射决定的迁移率

4. 2. 2 库仑散射决定的迁移率

4. 2. 3 表面散射决定的迁移率

4. 2. 4 应变硅PMOSFET的有效迁移率模型

4. 2. 5 结论

4. 3 表面沟道PMOSFET的电气特性

4. 3. 1 表面沟道PMOSFET的电荷面密度

4. 3. 2 Ⅰ-Ⅴ特性

4. 3. 3 跨导、漏导和特征频率

4. 4 小结

第五章量子SiGe沟道PMOSFET

5. 1 量子沟道PMOSFET的阈值电压模型

5. 1. 1 长沟道阈值电压模型

5. 1. 2 短沟道阈值电压模型

5. 1. 3 模拟计算与结果分析

5. 2 量子沟道PMOSFET迁移率模型

5. 2. 1 晶格散射

5. 2. 2 库仑散射

5. 2. 3 合金散射

5. 2. 4 载流子间散射

5. 2. 5 有效迁移率

5. 2. 6 模拟计算与结果分析

5. 3 量子沟道PMOSFET电学特性

5. 3. 1 沟道电荷面密度

5. 3. 2 ⅠⅤ特性

5. 3. 3 跨导、漏导和特征频率

5. 4 小结

第六章仿真软件--SiGe-Sim

6. 1 SiGe-Sim的设计思想及功能

6. 2 软件的使用

6. 3 小结

第七章总结

致谢

参考文献

在读期间研究成果

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