硅基雙軸應(yīng)變MOS器件及其仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的Si材料、Si器件受到了諸多挑戰(zhàn),半導(dǎo)體器件的性能因材料和器件物理特性的限制難以繼續(xù)提高,為此,需要采用新型材料與器件結(jié)構(gòu)以獲得半導(dǎo)體器件性能的進(jìn)一步改善。在此背景下,硅基雙軸應(yīng)變技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著應(yīng)力的引入,Si和SiGe材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,材料載流子遷移率獲得提升,使得基于該技術(shù)的MOS器件性能增強(qiáng),同時(shí),硅基雙軸應(yīng)變材料容易實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng),器件的制備技術(shù)與傳統(tǒng) Si工藝的相兼容,因此,以應(yīng)變S

2、i、應(yīng)變SiGe為代表的硅基雙軸應(yīng)變技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn),在航空、航天和通訊等領(lǐng)域具有極大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。然而,由于硅基雙軸應(yīng)變材料結(jié)構(gòu)的特殊性,在以之為基礎(chǔ)的硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的I-V特性獲得提升的同時(shí),其C-V特性、閾值電壓特性,與傳統(tǒng)Si器件的相比均呈現(xiàn)出新的變化,現(xiàn)有的體Si MOS器件模型難以描述該類器件的新特性,必須開發(fā)新的適用于硅基雙軸應(yīng)變MOS器件模型。新的模型使得目前通用的MOS器件模型參數(shù)提取

3、與仿真技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的仿真工作,嚴(yán)重制約了硅基雙軸應(yīng)變技術(shù)的發(fā)展、推廣。本文重點(diǎn)針對(duì)高質(zhì)量硅基雙軸應(yīng)變材料制備方法,硅基雙軸應(yīng)變MOS結(jié)構(gòu)C-V特性及其閾值電壓特性,硅基雙軸應(yīng)變MOS器件參數(shù)提取與仿真技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。所取得的主要研究成果為:
　　⑴研究了硅基雙軸應(yīng)變材料的位錯(cuò)缺陷類型、缺陷行為及其控制技術(shù),采用一種利用漸變SiGe緩沖層及低溫Si緩沖層相結(jié)合的硅基雙軸應(yīng)變材料方法,制備出了高質(zhì)量硅

4、基應(yīng)變材料。AFM、TEM和Raman散射等表征結(jié)果表明,材料結(jié)晶狀況良好,缺陷密度低于105cm-2,滿足器件要求。
　?、蒲芯堪l(fā)現(xiàn),硅基雙軸應(yīng)變MOS結(jié)構(gòu)C-V特性中出現(xiàn)了“臺(tái)階”且該“臺(tái)階”會(huì)隨摻雜濃度的不同而發(fā)生變化。針對(duì)該現(xiàn)象,分別揭示了應(yīng)變Si n/pMOS、應(yīng)變SiGe pMOS縱向結(jié)構(gòu)的微觀載流子輸運(yùn)機(jī)制,提出了應(yīng)變 Si nMOS積累區(qū)、應(yīng)變SiGe pMOS反型區(qū)C-V特性中“臺(tái)階”的形成機(jī)理,以及應(yīng)變 Si

5、pMOS結(jié)構(gòu) C-V特性中“臺(tái)階”的轉(zhuǎn)移機(jī)理,并建立了應(yīng)變Si n/p MOS、應(yīng)變 SiGe pMOS結(jié)構(gòu) C-V特性模型,分析了摻雜濃度對(duì)“臺(tái)階”的影響。模型計(jì)算結(jié)果與器件仿真結(jié)果符合較好,驗(yàn)證了模型的正確性。
　　⑶考慮硅基雙軸應(yīng)變 MOS結(jié)構(gòu)的特殊性,針對(duì)容易出現(xiàn)多溝道的應(yīng)變Si pMOSFET、應(yīng)變 SiGe pMOSFET,重點(diǎn)研究了其強(qiáng)反型溝道開啟條件,并分別建立了應(yīng)變Si pMOSFET、應(yīng)變SiGe pMOSFE

6、T平帶電壓模型、閾值電壓模型;同時(shí),結(jié)合“應(yīng)變工程”與“柵極工程”,提出了異質(zhì)多晶 SiGe柵應(yīng)變Si nMOSFET結(jié)構(gòu),并研究了其閾值電壓特性,建立了相關(guān)模型。與器件仿真結(jié)果的對(duì)比表明,所建模型能較好的反映硅基雙軸應(yīng)變MOSFET的閾值電壓特性,為硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的制備提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。以上研究成果,為硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的設(shè)計(jì)、制備提供了重要的理論指導(dǎo)以及技術(shù)支撐,為硅基雙軸應(yīng)變 MOS器件模型參數(shù)提取與仿真技術(shù)的

7、開發(fā)提出了技術(shù)需求。
　　⑷在上述材料及器件特性的研究基礎(chǔ)上,制備了多組硅基雙軸應(yīng)變MOSFET。測(cè)試結(jié)果表明,相同條件下,應(yīng)變 Si nMOSFET的跨導(dǎo)比體Si的提高了兩倍,而應(yīng)變SiGe量子阱pMOSFET的跨導(dǎo)比體Si的提高了一倍,呈現(xiàn)出優(yōu)良的器件特性;獲得了器件模型參數(shù)提取與仿真所需的電學(xué)數(shù)據(jù)。
　?、赏黄屏斯杌鶓?yīng)變MOS器件參數(shù)提取關(guān)鍵技術(shù),提出了硅基雙軸應(yīng)變MOS器件參數(shù)提取方法;同時(shí),研究了參數(shù)提取軟件架構(gòu),

8、以及相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)算法,開發(fā)了硅基雙軸應(yīng)變 MOS器件模型參數(shù)提取軟件,成功實(shí)現(xiàn)了硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的參數(shù)提取。
　?、驶谧灾鏖_發(fā)的應(yīng)變Si、應(yīng)變SiGe MOSFET等效電路及其相關(guān)參數(shù)模型,采用Verilog_A高級(jí)硬件描述語(yǔ)言,研發(fā)了硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的EDA仿真外掛包,實(shí)現(xiàn)了與Spice/Spectra資源共享的硅基雙軸應(yīng)變MOS器件的仿真。通過與器件測(cè)試結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了參數(shù)提取軟件和EDA外掛包的有效性和