Dependency of Phonon-limited Electron Mobility on Si Thickness in Strained SGOI (Silicon Germanium on Insulator) n-MOSFET

To make high-performance, low-power transistors beyond the technology node of 60 nm complementary metal-oxide-semiconductor field-effect transistors(C-MOSFETs) possible, the effect of electron mobility of the thickness of strained Si grown on a relaxed SiGe/SiO2/Si was investigated from the viewpoint of mobility enhancement via two approaches. First the parameters for the inter-valley phonon scattering model were optimized. Second, theoretical calculation of the electronic states of the two-fold and four-fold valleys in the strained Si inversion layer were performed, including such characteristics as the energy band diagrams, electron populations, electron concentrations, phonon scattering rate, and phonon-limited electron mobility. The electron mobility in an silicon germanium on insulator(SGOI) n-MOSFET was observed to be about 1.5 to 1.7 times higher than that of a conventional silicon on insulator(SOI) n-MOSFET over the whole range of Si thickness in the SOI structure. This trend was good consistent with our experimental results. In Particular, it was observed that when the strained Si thickness was decreased below 10 nm, the phonon-limited electron mobility in an SGOI n-MOSFT with a Si channel thickness of less than 6 nm differed significantly from that of the conventional SOI n-MOSFET. It can be attributed this difference that some electrons in the strained SGOI n-MOSFET inversion layer tunnelled into the SiGe layer, whereas carrier confinement occurred in the conventional SOI n-MOSFET. In addition, we confirmed that in the Si thickness range of from 10 nm to 3 nm the Phonon-limited electron mobility in an SGOI n-MOSFET was governed by the inter-valley Phonon scattering rate. This result indicates that a fully depleted C-MOSFET with a channel length of less than 15 m should be fabricated on an strained Si SGOI structure in order to obtain a higher drain current.

Strained SGOI n-MOSFET에서의 phonon-limited전자이동도의 Si두께 의존성

60 nm C-MOSFET 기술 분기점 이상의 고성능, 저전력 트랜지스터를 구현 시키기 위해 SiGe/SiO2/Si위에 성장된 strained Si의 두께가 전자 이동도에 미치는 영향을 두 가지 관점에서 조사 연구하였다. 첫째, inter-valley phonon 산란 모델의 매개변수들을 최적화하였고 둘째, strained Si 반전층의 2-fold와 4-fold의 전자상태, 에너지 밴드 다이어그램, 전자 점유도, 전자농도, phonon 산란율과 phonon-limited 전자이동도를 이론적으로 계산하였다. SGOI n-MOSFET의 전자이동도는 고찰된 SOI 구조의 Si 두께 모든 영역에서 일반적인 SOI n-MOSFET보다 $1.5\~1.7$배가 높음이 관찰 되었다. 이러한 경향은 실험 결과와 상당히 일치한다. 특히 strained Si의 두께가 10 nm 이하일 때 Si 채널 두께가 6 nm 보다 작은 SGOI n-MOSFET에서의 phonon-limited 전자 이동도는 일반 SOI n-MOSFET과 크게 달랐다. 우리는 이러한 차이가 전자들이 suained SGOI n-MOSFET의 반전층에서 SiGe층으로 터널링 했기 때문이고, 반면에 일반 SOI n-MOSFET에서는 캐리어 confinement 현상이 발생했기 때문인 것으로 해석하였다. 또한 우리는 10 nm와 3 nm 사이의 Si 두께에서는 SGOI n-MOSFET의 phonon-limited 전자 이동도가 inter-valley phonon 산란율에 영향을 받는 다는 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 더욱 높은 드레인 전류를 얻기 위해서 15 nm 미만의 채널길이를 가진 완전공핍 C-MOSFET는 stained Si SGOI 구조로 제작하여야 함을 확인 했다