新型SOI MOSFET器件結(jié)構(gòu)研究與電特性分析.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）的特征尺寸也在不斷的減小,傳統(tǒng)器件所采用的材料和器件結(jié)構(gòu)將會接近或達(dá)到它們的極限。短溝道效應(yīng)(SCE)、DIBL效應(yīng)等對MOSFET閾值電壓的影響越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的MOSFET器件結(jié)構(gòu)在未來的發(fā)展受到了器件尺寸縮小的嚴(yán)重限制，要克服這障礙，需要從采用新材料，引入新器件

2、結(jié)構(gòu)兩個不同的方面著手?；赟OI技術(shù)、應(yīng)變硅技術(shù)、溝道摻雜工程等提出了新的器件結(jié)構(gòu)，對新器件結(jié)構(gòu)建立了物理模型，進(jìn)行了分析和討論。主要的研究工作和成果如下：
　　1.本文在SOI MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入應(yīng)變硅溝道和Halo摻雜工程，提出了單Halo全耗盡應(yīng)變Si SOI MOSFET結(jié)構(gòu)。溝道電勢采用拋物線近似，有效地求解了泊松方程，建立了表面勢和表面場強(qiáng)模型，以及閾值電壓模型。在建立模型的基礎(chǔ)上，對新型器件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參

3、數(shù)進(jìn)行了討論和分析。討論了應(yīng)變對溝道表面勢、表面電場、閾值電壓的影響。結(jié)果表明，在溝道中間段，Ge組分越大其表面勢越大，靠近源漏端，Ge組分越大其表面勢越小。在Ge組分相同時，Halo器件比非Halo器件的閾值電壓大；在溝道長度特定的情況下，應(yīng)變溝道的應(yīng)變量越大其閾值電壓越小。考慮了在不同漏源電壓下，表面勢隨柵長 L的變化，由于Halo摻雜的存在，Halo區(qū)下的電勢分布幾乎不受漏電壓的影響。同時，將 Halo結(jié)構(gòu)器件和非 Halo結(jié)構(gòu)器

4、件對漏致勢壘降低的影響進(jìn)行了對比分析，表明Halo結(jié)構(gòu)器件能更好地抑制漏致勢壘降低效應(yīng)。
　　2.提出了堆疊柵介質(zhì)對稱雙柵單Halo應(yīng)變Si金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET新器件結(jié)構(gòu)。采用分區(qū)的拋物線電勢近似法和通用邊界條件求解二維泊松方程，在全耗盡的條件下，建立了二維的表面勢和閾值電壓模型。其應(yīng)變硅溝道有兩個摻雜區(qū)域，和常規(guī)雙柵器件(均勻摻雜溝道)比較，溝道表面勢呈階梯電勢分布，能進(jìn)一步提高載流子遷移率；探討了漏源電壓對短溝

5、道效應(yīng)的影響；分析得到閾值電壓隨緩沖層Ge組分的提高而降低；若堆疊柵介質(zhì)的高k介質(zhì)層的介電常數(shù)變大，源端應(yīng)變硅溝道摻雜濃度升高，閾值電壓都將會隨之增大，并解釋了其物理機(jī)理；分析結(jié)果表明：該新結(jié)構(gòu)器件能夠更好地抑制短溝道效應(yīng)，減小閾值電壓漂移，為納米領(lǐng)域MOSFET器件設(shè)計提供了指導(dǎo)。
　　3.提出了對稱三材料雙柵應(yīng)變硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET器件結(jié)構(gòu)，為該器件結(jié)構(gòu)建立了全耗盡條件下的表面勢模型、表面場強(qiáng)和閾值電壓解

6、析模型，并分析了應(yīng)變對表面勢、表面場強(qiáng)和閾值電壓的影響，討論了三柵長度比率對閾值電壓和漏致勢壘降低效應(yīng)的影響，對該結(jié)構(gòu)器件與單材料雙柵結(jié)構(gòu)器件的性能進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高載流子的輸運(yùn)速率，更好的抑制漏致勢壘降低效應(yīng)。適當(dāng)優(yōu)化三材料柵的柵長比率，可以增強(qiáng)器件對短溝道效應(yīng)和漏致勢壘降低效應(yīng)的抑制能力。因此，提出的對稱三材料雙柵應(yīng)變硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)有很好的應(yīng)用前景。
　　4.將應(yīng)變工程、溝道摻

7、雜工程和異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了非對稱Halo異質(zhì)柵應(yīng)變Si SOI MOSFET新型器件結(jié)構(gòu)。在溝道源端一側(cè)引入高摻雜Halo結(jié)構(gòu)，柵極由不同功函數(shù)的兩種材料組成。考慮新器件結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)變的影響，修正了平帶電壓和內(nèi)建電勢。通過邊界條件，求解二維泊松方程，建立了全耗盡條件下表面勢和閾值電壓模型。模型詳細(xì)分析了應(yīng)變對表面勢、表面場強(qiáng)、閾值電壓的影響。由于Halo結(jié)構(gòu)和功函數(shù)差的影響，溝道表面電勢產(chǎn)生兩個電勢階梯分布，表面電場產(chǎn)生兩個電場峰

8、值，使載流子的輸運(yùn)速度大為提高。適當(dāng)增加第三個區(qū)域的長度，臺階電勢和電場峰值均隨之向源端移動，可使載流子更早地加速。而且，閾值電壓隨溝道長度的減小沒有明顯降落，說明能較好的抑制短溝道效應(yīng)。將新器件結(jié)構(gòu)和常規(guī)器件比較，證明新器件能夠更好的抑制SCE和DIBL效應(yīng)，進(jìn)一步提高載流子的傳輸效率。該新型器件對器件的理論研究有一定的意義。
　　總之，基于全耗盡SOI MOSFET器件結(jié)構(gòu)，提出了幾種新型SOI MOSFET器件結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地建