超深亚微米SiGe SOI MOSFETs的特性研究

摘要

应变Si/SiGe技术以其高载流子迁移率等优异特性受到广泛关注,但当前报道的应变沟道器件仍存在一些问题亟待解决,主要归结为以下几点： (1)制备应变沟道NMOS和PMOS分别要应用不同的应变材料,两者制备工艺不兼容,限制了应变沟道器件的集成化应用。 (2)对于PMOS,Si cap的存在使栅控能力减弱,栅压增大时容易产生寄生的空穴导电沟道,影响了PMOS的性能表现。 (3)应变沟道器件仍然是基于传统单栅结构,无法有效改善超深亚微米特征尺寸下单栅器件栅控能力下降等问题,制约了集成电路向更小的特征尺寸方向发展。 针对上述问题,本论文提出了双栅双应变沟道全耗尽SOI MOSFET新结构,建立了栅长为25nm的新器件结构模型。总结了双栅器件的物理模型,为了保证模拟的精确性,对应变Si、应变SiGe的主要物理模型进行了修正。利用三维器件模拟软件ISE TCAD对器件单、双栅模式下的单管直流特性和CMOS瞬态特性进行了模拟,并分析了影响器件性能的因素,如Ge组分,背栅偏压等。对PMOS顶栅和底栅控制模式下的电学特性进行了模拟和比较。根据模拟结果,新结构能很好地解决上述应变沟道器件的三类缺点： (1)新结构把应变Si和应变SiGe结合起来,在沟道区形成双应变层,N管和P管采用完全一致的层结构,仅通过改变掺杂类型和浓度来实现,这样就解决了两者工艺不兼容的问题。 (2)新结构有单栅和双栅两种工作模式,作为单栅应变沟道器件时,分别用顶栅和底栅控制上层应变Si和下层应变SiGe导电,与体硅沟道器件相比,NMOS和PMOS的驱动能力均有显著提高,CMOS瞬态特性的上升时间和下降时间同时缩短了约一倍。对PMOS用底栅作为控制栅,栅控能力和驱动能力均优于顶栅控制,且消除了空穴寄生沟道的影响。 (3)作为双栅应变沟道器件时,充分发挥了双栅器件栅控能力强的优点,能有效改善单栅器件在超短特征尺寸下性能退化的问题,其静态和瞬态特性在单栅模式的基础上有了更进一步的提高。本论文的最后一部分讨论了该结构的工艺实现问题,介绍了国内外典型应变沟道器件和双栅器件及其制备工艺,给出了新结构的工艺实现流程,新结构在当前工艺水平下可以实现。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2 Si／SiGe应变技术

1.2.1 Si／SiGe应变技术的特点

1.2.2 Si／SiGe应变技术的国内外研究状况

1.3多栅技术

1.3.1多栅技术的特点

1.3.2多栅技术的国内外研究现状

1.4本文的研究意义和主要工作

2物理模型

2.1应变Si／SiGe的物理模型

2.1.1 Si／SiGe应变材料的品格结构

2.1.2应变Si物理模型

2.1.3应变SiGe物理模型

2.2双栅MOSFET的物理模型

2.2.1 P+-P+双栅MOSFET模型

2.2.2N+-P+双栅MOSFET模型

2.4本章小结

3双栅双应变沟道全耗尽SOI MOSFET新结构

3.1器件结构及工作原理

3.2单栅模式下器件特性的模拟分析

3.2.1单栅模式的单管静态特性

3.2.2单栅模式的CMOS瞬态特性

3.3应变Si／应变SiGe MOSFET的优化

3.3.1 Ge组分对器件特性的影响

3.3.2背栅偏压对器件特性的影响

3.3.3 PMOS顶栅与底栅控制机制的比较

3.4本章小结

4双栅模式下器件特性的模拟分析

4.1器件工作原理

4.2双栅工作模式的优越性

4.2.1单管特性

4.2.2 CMOS特性

4.3双栅应变沟道与体硅沟道器件的分析比较

4.3.1双栅模式的单管静态特性

4.3.2双栅模式的CMOS瞬态特性

4.3本章小结

5新结构的工艺实现

5.1国内外应变沟道器件及相关工艺

5.1.1应变Si沟道NMOS的结构和工艺

5.1.2应变SiGe沟道PMOS的结构和工艺

5.1.3应变Si／SiGe双沟道器件的结构和工艺

5.2国内外双栅器件及工艺

5.3新结构工艺实现流程

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文