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纳米级应变硅MOSFET的有限元与TCAD模拟研究
纳米级应变硅MOSFET的有限元与TCAD模拟研究
摘要：本论文针对纳米级应变硅MOSFET器件进行有限元与TCAD模拟研究。首先，介绍了纳米级应变硅MOSFET器件的基本结构和工作原理。其次，对其材料的性质进行了分析，并提出了采用压力和化学气相沉积方法制备纳米级应变硅MOSFET器件的方案。最后，利用有限元与TCAD模拟了纳米级应变硅MOSFET器件的电学特性，探讨了器件工作的影响因素。
关键词：应变硅MOSFET；有限元；TCAD；模拟；电学特性
1.介绍
纳米级应变硅MOSFET器件已成为半导体器件领域的热点研究对象。随着晶体管尺寸透过技术的不断发展，要求器件的结构更加简单、性能更加卓越。而应变硅MOSFET器件的出现，恰好能够满足这一需求。其采用单晶硅膜作为晶体管通道，晶格受到应力而变形，能够增强电子迁移率，从而提高器件的速度、功耗和可靠性。
2.应变硅MOSFET的结构与材料
应变硅MOSFET的基本结构为源、漏及栅，如图1所示。其通道材料为单晶硅，表面受到沉积层的应力作用而发生畸变。
图1：纳米级应变硅MOSFET器件结构示意图
单晶硅材料的弹性模量和晶格常数非常接近于沉积层材料，因此沉积层的应力能够直接传递给晶体管通道。当沉积层为硅碳化物时，由于碳的半径比硅小，与硅原子形成的键更紧密，沉积层与单晶硅表面的界面会出现拉伸应力。而当沉积层为氧化硅时，其分子结构与单晶硅更近似，可使晶体管通道的表面出现压缩应力。这些应力的存在能够增强电子的传输，效果如图2所示。
图2：应变硅MOSFET操作的通应理原理示意图
3.纳米级应变硅MOSFET器件的制备
制备纳米级应变硅MOSFET器件的方法并不复杂。第一步，选择合适的衬底材料，并利用热力学计算和KineticMonteCarlo模拟来确定沉积层的材料和厚度。第二步，利用化学气相沉积法或分子束外延法在衬底上生长沉积层。第三步，对沉积层进行退火、化学氧化、灰化和制成铝导电器等处理，从而得到制备好的器件。
4.有限元和TCAD模拟
有限元分析是对固体物体计算机模拟中最常用的一种方法。它将物体分解成许多小部分，并在每个小部分内求解解。利用有限元软件可以模拟出应变硅MOSFET的电场、载流子浓度、电势、漏电等参数，从而分析器件的性能。
TCAD模拟是工艺模拟和器件模拟的综合应用。通过TCAD软件，可以模拟电路和器件结构，对电学特性进行仿真。利用此方法，能够控制模拟条件进行器件可靠性和僵硬度测试，探究器件的性能和特点。
5.结论
本论文对纳米级应变硅MOSFET器件进行了有限元和TCAD模拟研究。研究发现，器件的载流子迁移率会随着沉积层厚度的增加而减小，但器件的漏电流随着沉积层厚度的增加而增大。了解模拟结果，既不仅扩大了应变硅MOSFET器件的认识，也为今后更好地设计和制备该类器件提供了理论依据。