高速/高性能应变Si/SiGe异质结器件研究

摘要

硅基(Si，SiGe)应变技术将“能带工程”和“应变工程”同时引入了Si基器件和集成电路，分别利用张应变材料Si电子迁移率和压应变材料SiGe空穴迁移率比体材料Si高，以及易于形成量子阱的优越特性，可以制作出高速/高性能的nMOSFET、pMOSFET和HBT。但要在同一层结构的材料上实现BiCMOS的集成则比较困难。 针对这一问题，本论文对集成应变Si和应变SiGe沟道的Si/SiGe异质结CMOS和Si/SiGe HBT进行了较深入研究。研究了应变Si和应变SiGe沟道MOSFET器件的结构和工作机理，详细分析了Si/SiGe HCMOS(异质结构CMOS)结构和优缺点，并考虑到BiCMOS集成的需要，设计了一种Si/SiGe HCMOS结构和一种Si/SiGe HBT结构，并进行medici模拟仿真。 基于上述研究，提出了一种新颖的全平面Si/SiGe BiCMOS结构。该结构同时包含压应变SiGe空穴量子沟道和张应变Si电子量子沟道。HCMOS和HBT采用完全一致的层结构设计，不需要腐蚀有源层，并与Si工艺相兼容。 最后，在建立全平面结构Si/SiGe BiCMOS器件模型基础上，对其结构进行了有意义的讨论。将反相器作为对该结构的一个应用，采用电路模拟工具Spice模拟了其传输特性。模拟结果表明所设计的全平面结构Si/SiGe BiCMOS结构合理、器件性能有所提高。 本文提出的全平面结构Si/SiGe BiCMOS结构具有创新性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究状况

1.2.1 Si/SiGe异质结CMOS(HCMOS)的研究

1.2.2 SiGc HBT的研究

1.2.3 SiGe BiCMOS技术发展现状

1.3本文工作的意义、目的及内容

第二章应变Si、SiGe及Si/siGe异质结的基本物理特性

2.1应变Si的基本物理特性

2.1.1应变Si的材料特性

2.1.2应变Si的能带结构与载流子浓度

2.1.3应变Si的输运特性

2.2应变SiGe的基本性质

2.2.1应变SiGe的材料特性

2.2.2应变SiGe的能带结构和载流子浓度

2.2.3应变SiGe的输运特性

2.3无应变(驰豫)SiGe的输运特性

2.4 Si/SiGe异质结

2.4.1 Si/SiGe异质结能带结构

2.4.2 Si/SiGe量子阱和二维载流子气

2.4.3理想突变Si/SiGe异质结的伏安特性

2.5本章小结

第三章高速应变Si/SiGe MOSFET的研究与设计

3.1应变Sin-MOSFET基本原理与结构

3.1.1应变Sin-MOSFET迁移率增强技术

3.1.2应变Si沟道nMOSFET

3.1.3应变Si调制掺杂nMOSFET

3.2应变Si/SiGe pMOSFET基本原理与结构

3.2.1应变Si沟道pMOSFET

3.2.2 SiGe沟道pMOSFET

3.2.3应变SiGe调制掺杂pMOSFET

3.3 Si/SiGe异质结CMOS

3.3.1 Si/SiGe异质结CMOS的基本原理与结构

3.3.2 Si/SiGe异质结CMOS的设计考虑

3.4 SI/SiGe HCMOS的结构设计

3.5 Si/SiGe HCMOS的仿真分析

3.6本章小结

第四章高性能SiGe HBT的研究

4.1 SiGe HBT的基本结构与原理

4.2 SiGe HBT基区的设计考虑

4.2.1基区掺杂浓度与浓度分布

4.2.2基区宽度

4.2.3基区Ge组分及其分布

4.3 SiGe HBT发射区的设计考虑

4.4 SiGe HBT集电区的设计考虑

4.5非理想情况下的设计考虑

4.6应变Sipnp HBT

4.7应变Si/SiGe HBT的设计

4.7.1发射区设计

4.7.2基区设计

4.7.3集电区设计

4.8 Si/SiGe HBT的仿真分析

4.9本章小结

第五章高速/高性能SiGe BiCMOS器件的设计

5.1全平面Si/SiGe BiCMOS的结构设计

5.1.1 BiCMOS中Si/SiGe HCMOS的设计

5.1.2 BiCMOS中Si/SiGe HBT的设计

5.1.3全平面Si/SiGe BiCMOS的层结构设计

5.1.4全平面Si/SiGe BiCMOS的工作原理

5.1.5器件结构的进一步讨论

5.2Si/SiGe BiCMOS 的器件工艺设计

5.3Si/SiGe BiCMOS的仿真分析

5.4本章小结

第六章结论

致谢

参考文献