应变SiGe/Si异质结CMOS关键技术研究

摘要

SiGe技术将能带工程和应变工程引入了Si器件和集成电路。利用SiGe/Si能带的不连续性，可以设计电子(或空穴)量子阱；利用生长SiGe/Si赝晶产生的应变效应可以改变材料性质，提高载流子的迁移率。由于SiGe技术与Si工艺相兼容，具有维系Si工艺巨大经济性的优势，受到广泛关注和重视。 利用张应变Si电子迁移率和压应变SiGe空穴迁移率比体Si高的优越特性，可以制作出高性能的n-MOSFET和p-MOSFET。但要在同一层结构的材料上实现n-MOSFET和p-MOSFET的集成则比较困难，因为空穴和电子输运在不同的材料层，所需生长的层结构不同。 针对这一问题，本论文对集成应变Si和应变SiGe沟道的SiGe/Si异质结CMOS(HCMOS)进行了较深入研究。分析了应变Si和应变SiGe沟道MOSFET器件的结构和工作机理，包括表面沟道、埋沟、调制掺杂和双沟道结构，讨论了制备器件的关键技术——驰豫SiGe“虚衬底”。详细介绍了SiGe/SiHCMOS结构和优缺点。 本文提出了一种新颖的垂直层叠共栅结构SiGe/SiHCMOS。该结构同时包含压应变Si1-xGex空穴量子沟道和张应变Si电子量子沟道。p-MOSFET和n-MOSFET采用完全一致的层结构设计，二者共同合用一个多晶Si1-xGex栅电极，而且不需要注阱和腐蚀有源层，技术与Si工艺相兼容。且SiGe/SiHCMOS面积比体SiCMOS缩小了一半，器件性能将大幅度提高。 在建立应变Si和应变SiGe材料物理参数模型基础上，采用二维数值器件模拟工具Medici对所提出的垂直层叠共栅结构SiGe/SiHCMOS进行了模拟和分析，包括直流稳态特性、交流小信号特性、瞬态特性，验证其可行性。深入研究了器件阈值电压、特征频率、跨导、驱动电流等电学参数与器件几何结构参数和材料物理参数之间的关系。揭示了所提出的层结构的作用及其对器件性能所显示的优越性，如器件结构中所设计的驰豫Si0.7Ge0.3中间层对应变Si1-xGex(x＞0.3)沟道中空穴和应变Si沟道中电子之间散射的抑制作用，以及结构中设计应变Si帽和驰豫Si0.7Ge0.3帽的必要性。研究工作获得了有意义的相关结论，对于器件设计具有重要意义。最后给出优化后的器件层结构参数和器件特性，并将反相器作为对该结构的一个应用，模拟了其传输特性。 模拟结果表明所设计的垂直层叠共栅结构SiGe/SiHCMOS结构合理、器件性能提高。 本文提出的垂直层叠共栅SiGe/SiHCMOS结构具有创新性。

目录

文摘

英文文摘

创新性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章应变Si和应变SiGe物理模型

第三章应变Si和应变SiGe沟道MOSFET

第四章垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS

第五章垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS模拟优化

5.1 Medici模型修正

5.2垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS模拟分析

5.3垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS结构参数分析

5.4垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS结构优化设计

5 5垂直层叠共栅SiGe/Si HCMOS反相器

5.6本章小结

第六章结论

致谢

参考文献

在读期间主要研究成果