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(互補式場效應(yīng)晶體管)器件尺寸進入亞微米,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)將會接近或達到它們的極限。要克服由于基本的物理問題對傳統(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SGOI MOSFE

2、T進行了分析研究。主要的研究工作和成果如下:
　　 1.論文通過合理地引入數(shù)學表達式,考慮了純硅和摻雜硅中由于聲子邊界散射引起熱導率的減小。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)果和實驗數(shù)據(jù)比較吻合。該代數(shù)式模型不僅和實驗數(shù)據(jù)吻合,也和基于積分形式的熱導率以及玻爾茲曼傳輸方程獲得預測值一致。該數(shù)值熱導率的建模和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率的減小,S

3、OI晶體管的電學和熱學性能的評估都會受到比較大的影響。
　　 2.從能帶角度定性地分析了應(yīng)力對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型金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(nMOSFET),低場電子遷移率模型,該模型計算得到的結(jié)果與報道的實驗數(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:由于溫度的升高會增

4、加聲子與電子的散射概率,導致聲學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層進行傳導,并且弛豫SiGe層和柵氧化層之間非?？拷?這樣溝道中界面態(tài)密度大大增加,也會降低器件的遷移率。該模型可以模擬任意鍺(Ge)組分下的遷移率,數(shù)學表達式簡單,易于嵌入到器件模擬器中,為設(shè)計和優(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對該新型器件結(jié)構(gòu)的電學以及熱學特性進行了深入的研究,模擬中考慮了邊界聲子散射引起熱導率的減小以及該熱導率隨溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明:由于溝道與漏端交界處電場強度最大,因此該區(qū)域會產(chǎn)生大量熱量,遷移率退化最嚴重。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),也不會對器件的電容特性造成影響,同時該器件的關(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SGOI器件對溝道區(qū)域電荷的控制能力持續(xù)下降,會出現(xiàn)由于短溝道效應(yīng)(SCE)引起的DIBL效應(yīng)(溝致勢壘降低效應(yīng))。在納米級雙臺階式埋氧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性能的差異。研究結(jié)果表明:當引入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。這為實現(xiàn)納米級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的電學和熱學方面的性能,并和傳統(tǒng)的SGOI器件的性能進行了比較。研究結(jié)果顯示:SGSOAN nMOSFET的輸出特性的退化程度遠小于SGOI nMOSFET輸出特性的退化

9、程度；SGSOAN nMOSFET的跨導高于SGOI nMOSFET的跨導；熱阻小于SGOI nMOSFET的熱阻一個數(shù)量級。此外,研究了Si緩沖層對SGSOAN器件的影響,在Si緩沖層對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),同時不會影響到器件的電學性能,擴大了其應(yīng)用的領(lǐng)域。
　　 綜上所述,本文在SGO