中心議題：

• 通過電荷分布曲線近似的解析方法，計算了多晶硅量子效應(yīng)對閾值電壓的影響

解決方案：

• 計算了在不同摻雜濃度下多晶硅量子效應(yīng)所引起的MOSFET閾值電壓的偏移

隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，器件的特征尺寸已經(jīng)發(fā)展到了納米量級[1]，并且將向著溝道長度為10 nm的方向發(fā)展。在這種器件中，為了抑制短溝道效應(yīng)、DIBL效應(yīng)，體硅通常采用高摻雜，此時由于器件的尺寸很小，量子效應(yīng)對器件特性的影響已經(jīng)不容忽視。自20世紀(jì)70年代以來，對量子效應(yīng)的研究已得到廣泛的關(guān)注，主要是通過數(shù)值模擬或解析近似的方法，對體硅從積累到反型時的量子效應(yīng)進(jìn)行計算[2-7]。而大多認(rèn)為在多晶硅中，能量彎曲很小，沒有明顯量子效應(yīng)，用經(jīng)典的方法可對多晶硅進(jìn)行描述[7-9]。已有的對多晶硅量子效應(yīng)的研究也是基于多晶硅/二氧化硅/體硅的全量子模型的數(shù)值模擬計算[10]。本文通過電荷分布曲線近似的解析方法，計算了多晶硅量子效應(yīng)對閾值電壓的影響。

1 多晶硅量子效應(yīng)
在通常的MOSFET中，隨著外加電壓的改變，高摻雜的多晶硅從積累到耗盡轉(zhuǎn)變，多晶硅中能帶彎曲的不大，被認(rèn)為不會形成深的量子阱。一直以來，多晶硅中載流子的分布大多用經(jīng)典的方法進(jìn)行描述，而在體硅溝道中用經(jīng)典或量子模型進(jìn)行描述。研究表明在多晶硅/二氧化硅界面[10]，由于能帶突變，對多數(shù)載流子的波函數(shù)會產(chǎn)生影響。量子效應(yīng)下，電荷被推離界面，從而形成大概幾個納米的“dark space”耗盡層。與經(jīng)典的電荷分布不同，當(dāng)經(jīng)典的耗盡寬度小于或與“dark space”的寬度相近的時候，需要用量子的定義。為簡單起見，本文以N型多晶硅NMOS結(jié)構(gòu)為例。

圖1 量子效應(yīng)下載流子和經(jīng)典情況 下多晶硅中載流子的分布對比

圖1給出了不同的柵壓下考慮多晶硅量子效應(yīng)時多晶硅中載流子的分布和經(jīng)典下載流子的分布，圖中CL為經(jīng)典描述下載流子分布，QM為考慮量子效應(yīng)下載流子的分布。體原封不動摻雜為1018 cm−3，多晶硅摻雜為1020 cm−3。當(dāng)所加電壓為負(fù)電壓和柵壓為閾值電壓時，量子效應(yīng)下的載流子分布與經(jīng)典的情況有很大的差別，而加的正電壓很大時，量子情況與經(jīng)典情況沒有很明顯的差別。這是由于在外加電壓為負(fù)時，能帶的突然變化對電子波函數(shù)有顯著影響；而外加電壓為正的時候，對電子波函數(shù)影響很小。

本文采用電子分布曲線擬合近似，設(shè)多晶硅/二氧化硅界面處為0=x點(diǎn)，向上為正，峰值處的點(diǎn)的坐標(biāo)為，分別用以下分布來近似上升和下降階段的載流子分布：

(1)

(2)

式中為多晶硅中的摻雜濃度；是電子的擴(kuò)散長度，它是多晶硅中摻雜濃度的函數(shù)，很快就能計算出；為峰值處的電子濃度比平衡時多出的部分。令：

(3)

通過在不同的柵壓時βαγ,取不同的擬合值，能較好地近似體硅從積累到反型的各種情況下載流子的分布。同時所取的βαγ,必須滿足電中性條件：
 

（4）

即
(5)

式中Qsq為考慮量子效應(yīng)時體硅的面電荷密度。

圖2 電子分布的數(shù)值模擬與近似分布曲線

圖2給出了摻雜濃度為1020 cm−3，對應(yīng)柵壓為閾值電壓時的近似曲線與數(shù)值模擬分布曲線的對比，發(fā)現(xiàn)近似曲線和模擬分布曲線在所研究的區(qū)間上能很好地符合，說明近似方法具有很好的準(zhǔn)確性。另外根據(jù)量子計算，電子分布的峰值可用電子的第一個波函數(shù)的第一個峰值處近似計算：

式中 ，為電子能量，為多晶硅/二氧化硅界面相對于柵表面的電勢差。

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2 對閾值電壓的影響
在多晶硅中的泊松方程為
(7)
由式(1)、(2)可得，電子濃度分布下多晶硅中的泊松方程為：

(8)(9)
式中 當(dāng)邊界條件在∞→x時，。求解得到多晶硅柵上的電場及電勢分布為：

(10)

(11)

(12)

(13)

則

(14)

 由于為多晶硅/二氧化硅界面處的電勢與柵上所加電壓的差，則多晶硅柵上的壓降。則考慮多晶硅量子效應(yīng)的小于不考慮多晶硅量子效應(yīng)時的時，即導(dǎo)致閾值電壓的減小。不考慮多晶硅量子效應(yīng)(多晶硅用耗盡模型)時，多晶硅柵上的壓降)

(15)
 

圖3是柵壓為閾值電壓時的多晶硅中電場和電壓分布，圖中體硅摻雜為，多晶硅摻雜為，二氧化硅厚度為5 nm。可以看到考慮多晶硅量子效應(yīng)時氧化層電場比不考慮多晶硅量子效應(yīng)時大，這是由于偶極子的產(chǎn)生使電場發(fā)生扭曲，增加了氧化層中的電場，使得在體硅中的載流子增加，也就意味著多晶硅量子效應(yīng)會導(dǎo)致閾值電壓的減小。

通過曲線近似，能定出不同摻雜濃度下的γβα，代入式(14)可以得到即為多晶硅上的電壓降。

 圖4  不同摻雜濃度下考慮多晶硅量子效應(yīng)與不考慮多晶硅量子效應(yīng)時多晶硅柵上壓降之差

圖4給出了不同的多晶硅摻雜下，考慮多晶硅量子效應(yīng)相對于只考慮體硅量子效應(yīng)時MOSFET閾值電壓偏移的數(shù)值模擬結(jié)果與本文的模型結(jié)果。圖中體硅摻雜濃度為 ，二氧化硅層厚度為3 nm，可以看到隨著多晶硅摻雜濃度的增加，多晶硅量子效應(yīng)對MOSFET閾值電壓的影響增大，而且變化很快，在摻雜低時候基本可以忽略，而在多晶硅摻雜濃度高時則不能忽略。但在小尺寸MOSFET中，多晶硅摻雜都很高，通常在量級，此時量子效應(yīng)不能忽視。同時可看到，通過與數(shù)值模擬結(jié)果[10]比較，本文模型具有很好的準(zhǔn)確性。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60276042); 安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(01044104)
作者簡介：孫家訛(1983 – )，男，碩士生，主要從事微電子學(xué)方面的研究.