應(yīng)變硅器件低場遷移率模型和新結(jié)構(gòu)SGOI器件的性能分析.pdf

1、隨著CMOS(互補(bǔ)式場效應(yīng)晶體管)器件尺寸進(jìn)入亞微米,深亞微米領(lǐng)域,傳統(tǒng)器件所采用的材料和器件結(jié)構(gòu)將會(huì)接近或達(dá)到它們的極限。要克服由于基本的物理問題對(duì)傳統(tǒng)的MOSFET器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展所造成的障礙,需要從引入新的材料和采用新的器件結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行創(chuàng)新?；赟OI(絕緣體上硅)技術(shù)和應(yīng)變硅技術(shù)(Si)結(jié)合體的新型器件SGOI(絕緣體上硅鍺)被認(rèn)為是納米范圍內(nèi)最具有應(yīng)用前景的器件結(jié)構(gòu)。本文從器件結(jié)構(gòu)、物理模型和可靠性等方面對(duì)SGOI MOSFE

2、T進(jìn)行了分析研究。主要的研究工作和成果如下:
　　 1.論文通過合理地引入數(shù)學(xué)表達(dá)式,考慮了純硅和摻雜硅中由于聲子邊界散射引起熱導(dǎo)率的減小。在溫度范圍從300到1000K,硅膜厚度從10nm到1μm之間應(yīng)用該模型得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合。該代數(shù)式模型不僅和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,也和基于積分形式的熱導(dǎo)率以及玻爾茲曼傳輸方程獲得預(yù)測值一致。該數(shù)值熱導(dǎo)率的建模和ISE-TCAD電熱模擬結(jié)果顯示,如果不考慮聲子邊界散射引起的熱導(dǎo)率的減小,S

3、OI晶體管的電學(xué)和熱學(xué)性能的評(píng)估都會(huì)受到比較大的影響。
　　 2.從能帶角度定性地分析了應(yīng)力對(duì)Si中載流子遷移率的影響,經(jīng)過分析研究提出了弛豫Si1-xGex層上應(yīng)變Si n型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(nMOSFET),低場電子遷移率模型,該模型計(jì)算得到的結(jié)果與報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及ISE模擬得到的結(jié)果一致。此外研究了溫度和應(yīng)變Si膜厚度對(duì)Si/Si1-xGex nMOSFET中電子遷移率的影響。研究結(jié)果顯示:由于溫度的升高會(huì)增

4、加聲子與電子的散射概率,導(dǎo)致聲學(xué)聲子散射遷移率降低。阱內(nèi)的量子效應(yīng)使得載流子隨著厚度的減小而減小,引起載流子通過低遷移率的弛豫Si1-xGex層進(jìn)行傳導(dǎo),并且弛豫SiGe層和柵氧化層之間非常靠近,這樣溝道中界面態(tài)密度大大增加,也會(huì)降低器件的遷移率。該模型可以模擬任意鍺(Ge)組分下的遷移率,數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單,易于嵌入到器件模擬器中,為設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)變硅電路提供很好的理論支持。
　　 3.為了減小SGOI器件的自加熱效應(yīng),從改進(jìn)器件結(jié)

5、構(gòu)的角度提出了一種新型的SGOI器件結(jié)構(gòu),稱之為雙臺(tái)階式埋氧SGOI MOSFET。研究了該器件的工藝流程,使用器件模擬器ISE對(duì)該新型器件結(jié)構(gòu)的電學(xué)以及熱學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究,模擬中考慮了邊界聲子散射引起熱導(dǎo)率的減小以及該熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明:由于溝道與漏端交界處電場強(qiáng)度最大,因此該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量熱量,遷移率退化最嚴(yán)重。通過減小溝道下埋氧層厚度,溝道區(qū)域熱量可以很快通過薄的埋氧層傳送到襯底,有效地降低了器件的自加熱效

6、應(yīng),也不會(huì)對(duì)器件的電容特性造成影響,同時(shí)該器件的關(guān)態(tài)電流,輸出特性退化,遷移率的退化以及DIBL效應(yīng)都得到了明顯地抑制。因此,采用溝道下薄埋氧的SGOI MOSFET能夠提高器件的整體性能和長期可靠性。
　　 4.隨著溝道長度的減小,納米級(jí)SGOI器件對(duì)溝道區(qū)域電荷的控制能力持續(xù)下降,會(huì)出現(xiàn)由于短溝道效應(yīng)(SCE)引起的DIBL效應(yīng)(溝致勢(shì)壘降低效應(yīng))。在納米級(jí)雙臺(tái)階式埋氧SGOI MOSFET中引入接地平面(Ground Pl

7、ane)技術(shù)減小短溝道效應(yīng)對(duì)器件性能的影響,分析了引入該技術(shù)前后,不同溝道應(yīng)變下不同柵長下該器件電學(xué)性能的差異。研究結(jié)果表明:當(dāng)引入Ground Plane技術(shù)后,由于吸引了更多來自于漏端電力線的條數(shù),減小了進(jìn)入溝道區(qū)域的邊緣電力線的條數(shù),削弱了平行于溝道的橫向電場對(duì)溝道區(qū)域電荷的作用,降低了溝道與漏端之間空間電荷區(qū)的寬度,提高了柵對(duì)溝道電荷的控制能力,減小了器件的DIBL效應(yīng),抑制了泄漏電流,降低了閾值電壓的起伏。這為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)SGO

8、I器件提供了很好的解決方案。
　　 5.為了減小SGOI器件的自加熱效應(yīng),從引入新的高熱導(dǎo)率埋氧層材料的角度提出了一種新的器件結(jié)構(gòu),稱之為SGSOAN。在這部分研究中先介紹了這種新型器件的制備工藝流程,接著使用器件模擬器ISE,分析了SGSOAN nMOSFET的電學(xué)和熱學(xué)方面的性能,并和傳統(tǒng)的SGOI器件的性能進(jìn)行了比較。研究結(jié)果顯示:SGSOAN nMOSFET的輸出特性的退化程度遠(yuǎn)小于SGOI nMOSFET輸出特性的退化

9、程度；SGSOAN nMOSFET的跨導(dǎo)高于SGOI nMOSFET的跨導(dǎo)；熱阻小于SGOI nMOSFET的熱阻一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,研究了Si緩沖層對(duì)SGSOAN器件的影響,在Si緩沖層對(duì)SGSOAN器件的影響研究中發(fā)現(xiàn):薄Si緩沖層和高Ge組分能夠減小器件的閾值電壓,提高器件的輸出電流。因此,SGSOAN器件結(jié)構(gòu)可以很好地減小SGOI的自加熱效應(yīng),同時(shí)不會(huì)影響到器件的電學(xué)性能,擴(kuò)大了其應(yīng)用的領(lǐng)域。
　　 綜上所述,本文在SGO