新型SOI MOSFET器件結構研究與電特性分析.pdf

1、隨著半導體工藝技術的不斷進步，金屬氧化物半導體場效應晶體管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構將會接近或達到它們的極限。短溝道效應(SCE)、DIBL效應等對MOSFET閾值電壓的影響越來越嚴重。傳統(tǒng)的MOSFET器件結構在未來的發(fā)展受到了器件尺寸縮小的嚴重限制，要克服這障礙，需要從采用新材料，引入新器件

2、結構兩個不同的方面著手?；赟OI技術、應變硅技術、溝道摻雜工程等提出了新的器件結構，對新器件結構建立了物理模型，進行了分析和討論。主要的研究工作和成果如下：
　　1.本文在SOI MOSFET結構的基礎上，引入應變硅溝道和Halo摻雜工程，提出了單Halo全耗盡應變Si SOI MOSFET結構。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模型，以及閾值電壓模型。在建立模型的基礎上，對新型器件結構的關鍵參

3、數(shù)進行了討論和分析。討論了應變對溝道表面勢、表面電場、閾值電壓的影響。結果表明，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，應變溝道的應變量越大其閾值電壓越小?？紤]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結構器件和非 Halo結構器

4、件對漏致勢壘降低的影響進行了對比分析，表明Halo結構器件能更好地抑制漏致勢壘降低效應。
　　2.提出了堆疊柵介質對稱雙柵單Halo應變Si金屬氧化物半導體場效應管MOSFET新器件結構。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，能進一步提高載流子遷移率；探討了漏源電壓對短溝

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

6、析模型，并分析了應變對表面勢、表面場強和閾值電壓的影響，討論了三柵長度比率對閾值電壓和漏致勢壘降低效應的影響，對該結構器件與單材料雙柵結構器件的性能進行了對比研究。結果表明，該結構能進一步提高載流子的輸運速率，更好的抑制漏致勢壘降低效應。適當優(yōu)化三材料柵的柵長比率，可以增強器件對短溝道效應和漏致勢壘降低效應的抑制能力。因此，提出的對稱三材料雙柵應變硅金屬氧化物半導體場效應晶體管器件結構有很好的應用前景。
　　4.將應變工程、溝道摻

7、雜工程和異質柵結構相結合，提出了非對稱Halo異質柵應變Si SOI MOSFET新型器件結構。在溝道源端一側引入高摻雜Halo結構，柵極由不同功函數(shù)的兩種材料組成?？紤]新器件結構特點和應變的影響，修正了平帶電壓和內建電勢。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。模型詳細分析了應變對表面勢、表面場強、閾值電壓的影響。由于Halo結構和功函數(shù)差的影響，溝道表面電勢產生兩個電勢階梯分布，表面電場產生兩個電場峰

8、值，使載流子的輸運速度大為提高。適當增加第三個區(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。將新器件結構和常規(guī)器件比較，證明新器件能夠更好的抑制SCE和DIBL效應，進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器件結構，提出了幾種新型SOI MOSFET器件結構，準確地建