新型納米SOI MOS器件結(jié)構(gòu)分析與可靠性研究.pdf

1、SOI(siliconOnInsulator，絕緣體上硅)技術(shù)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始受到關(guān)注，80年代以后又有了較大的發(fā)展，90年代后期進(jìn)入部分商用領(lǐng)域。相比于體硅技術(shù)而言，SOI技術(shù)具有集成密度更高，寄生電容小，抗閂鎖能力強(qiáng)，抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其優(yōu)越的抗輻照特性使SOI技術(shù)首先在衛(wèi)星、航天等空間應(yīng)用領(lǐng)域獲得重視，速度和功耗方面較大的改善則使基于SOI襯底的CMOS電路在更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。薄膜全耗盡SOI器件表現(xiàn)出的更高電流

2、驅(qū)動(dòng)能力、陡直的亞閾值斜率以及良好的等比例縮小能力，不僅使SOI技術(shù)在高速、低壓、低功耗電路中的優(yōu)勢(shì)更加明顯，而且對(duì)于特征尺寸縮小到納米量級(jí)后的集成電路有更大的應(yīng)用潛力，ITRSRoadmap預(yù)測(cè)的未來(lái)五種非傳統(tǒng)MOS器件中有四種是SOI器件。本文從物理基礎(chǔ)模型，新型器件結(jié)構(gòu)和材料以及可靠性方面對(duì)SOIMOSFET進(jìn)行了研究學(xué)習(xí)，主要的工作和成果如下:
　　1.論文通過(guò)學(xué)習(xí)和了解國(guó)內(nèi)外SOI技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)了SOI技術(shù)在應(yīng)用中

3、的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，明確了SOI技術(shù)在當(dāng)今時(shí)代中的發(fā)展方向。介紹了現(xiàn)階段主流的SOI材料制備工藝，包括主要的工藝流程，并且分析了每種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。其次，從微電子技術(shù)的物理原理出發(fā)，通過(guò)求解泊松方程，建立了SOIMOSFET器件的溝道表面勢(shì)模型，建立了全耗盡短溝道SOIMOSFET器件的閾值電壓模型和亞閾值斜率模型，并且討論了硅膜厚度與閾值電壓的關(guān)系以及亞閾值斜率與溝道長(zhǎng)度的關(guān)系，為后續(xù)的新型SOIMOSFET器件的研究提供了可靠的理論支持

4、。
　　2.論文將異質(zhì)雙柵(HMG)引入到SOIMOSFET，建立相應(yīng)的解析模型，通過(guò)理論分析研究了新型柵極結(jié)構(gòu)給SOIMOSFET器件帶來(lái)的性能提高，結(jié)合應(yīng)變硅技術(shù)，提出了新型的器件結(jié)構(gòu)異質(zhì)柵應(yīng)變SOI器件(HMGSSDOI)。通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果和ISE仿真結(jié)果可以看出，新型HMGSSDOI結(jié)構(gòu)通過(guò)在溝道內(nèi)建立階梯電勢(shì)，減小了漏端電壓對(duì)源端勢(shì)壘的影響，很好的抑制了漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)，改善了器件的關(guān)態(tài)特性，同時(shí)由于階梯電勢(shì)的存在，提高

5、了載流子進(jìn)入溝道的初始速度，更快的到達(dá)飽和速度，應(yīng)變硅技術(shù)的存在可以提高載流子的遷移率。使SOIMOSFET器件的性能得到了更大的提高。
　　3.隨著器件特征尺寸的不斷減小，柵介質(zhì)減薄帶來(lái)的影響備受關(guān)注，論文介紹了ALD原子沉積技術(shù)制備二氧化鉿的工藝流程，測(cè)試了由實(shí)驗(yàn)獲得的二氧化鉿薄膜的性質(zhì)。在考慮量子化效應(yīng)的條件下，對(duì)高k柵介質(zhì)材料SOIMOSFET器件進(jìn)行了閾值電壓模型建立，分析了量子化效應(yīng)和高k柵介質(zhì)材料對(duì)SOI器件性能的影

6、響。在采用新型柵介質(zhì)材料的同時(shí)，論文對(duì)柵介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，從分析結(jié)果可以看出，采用新型柵介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)以后，不僅能夠有效的降低器件柵極的泄漏電流，而且對(duì)DIBL效應(yīng)的抑制能力更強(qiáng)，同時(shí)可以提高器件的載流子進(jìn)入溝道的初始速度，更快的達(dá)到飽和速度，增強(qiáng)器件的傳輸性能。
　　4.應(yīng)變技術(shù)近年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，論文將新型應(yīng)變技術(shù)引入到SOI器件當(dāng)中，利用應(yīng)變技術(shù)對(duì)Si材料能帶結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)基礎(chǔ)Si材料的參數(shù)進(jìn)行了修正。并且對(duì)兩種主流

7、SOI器件應(yīng)變結(jié)構(gòu)(SGOI和SSDOI)的主要制備工藝進(jìn)行學(xué)習(xí)，主要介紹了SIMOX方法、鍵合技術(shù)和“Ge濃縮”技術(shù)。建立了SGOI溝道表面勢(shì)模型和閾值電壓模型，從分析結(jié)果可以看出，將應(yīng)變引入SOI器件結(jié)構(gòu)以后，可以大幅度的提高SOI器件的性能，很好的抑制例如DIBL等二級(jí)效應(yīng)，同時(shí)可以看到，模型計(jì)算結(jié)果與ISE仿真結(jié)構(gòu)吻合較好，充分說(shuō)明了模型的正確性。
　　5.新型的SOI器件結(jié)構(gòu)中存在嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，是SOI技術(shù)中一個(gè)重要

8、的研究課題，本文從材料和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行考慮，采用AlN材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2，并在埋氧化層中開(kāi)啟空洞，另外在應(yīng)變SOI器件中建立了雙臺(tái)階埋層結(jié)構(gòu)，從仿真的結(jié)構(gòu)可以看出，通過(guò)改變埋氧化層的熱導(dǎo)率減小自加熱現(xiàn)象，同時(shí)空洞的存在可以很好的抑制DIBL效應(yīng)。雙臺(tái)階埋層結(jié)構(gòu)能夠很好的降低器件工作時(shí)器件的溫度，達(dá)到抑制自加熱效應(yīng)的結(jié)果，同時(shí)，在模擬的過(guò)程中，對(duì)埋層結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，對(duì)器件的性能進(jìn)行優(yōu)化，從兩種新器件結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果來(lái)看，新材料和