硅基雙軸應變MOS器件及其仿真關鍵技術研究.pdf

1、隨著微電子技術的不斷發(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構以獲得半導體器件性能的進一步改善。在此背景下,硅基雙軸應變技術應運而生。隨著應力的引入,Si和SiGe材料的能帶結構發(fā)生了改變,材料載流子遷移率獲得提升,使得基于該技術的MOS器件性能增強,同時,硅基雙軸應變材料容易實現(xiàn)大面積生長,器件的制備技術與傳統(tǒng) Si工藝的相兼容,因此,以應變S

2、i、應變SiGe為代表的硅基雙軸應變技術成為了國內外研究機構的研究熱點,在航空、航天和通訊等領域具有極大的發(fā)展空間和應用前景。然而,由于硅基雙軸應變材料結構的特殊性,在以之為基礎的硅基雙軸應變MOS器件的I-V特性獲得提升的同時,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、與仿真技術無法實現(xiàn)硅基雙軸應變MOS器件的仿真工作,嚴重制約了硅基雙軸應變技術的發(fā)展、推廣。本文重點針對高質量硅基雙軸應變材料制備方法,硅基雙軸應變MOS結構C-V特性及其閾值電壓特性,硅基雙軸應變MOS器件參數(shù)提取與仿真技術進行了系統(tǒng)、深入的研究。所取得的主要研究成果為:
　　⑴研究了硅基雙軸應變材料的位錯缺陷類型、缺陷行為及其控制技術,采用一種利用漸變SiGe緩沖層及低溫Si緩沖層相結合的硅基雙軸應變材料方法,制備出了高質量硅

4、基應變材料。AFM、TEM和Raman散射等表征結果表明,材料結晶狀況良好,缺陷密度低于105cm-2,滿足器件要求。
　?、蒲芯堪l(fā)現(xiàn),硅基雙軸應變MOS結構C-V特性中出現(xiàn)了“臺階”且該“臺階”會隨摻雜濃度的不同而發(fā)生變化。針對該現(xiàn)象,分別揭示了應變Si n/pMOS、應變SiGe pMOS縱向結構的微觀載流子輸運機制,提出了應變 Si nMOS積累區(qū)、應變SiGe pMOS反型區(qū)C-V特性中“臺階”的形成機理,以及應變 Si

5、pMOS結構 C-V特性中“臺階”的轉移機理,并建立了應變Si n/p MOS、應變 SiGe pMOS結構 C-V特性模型,分析了摻雜濃度對“臺階”的影響。模型計算結果與器件仿真結果符合較好,驗證了模型的正確性。
　　⑶考慮硅基雙軸應變 MOS結構的特殊性,針對容易出現(xiàn)多溝道的應變Si pMOSFET、應變 SiGe pMOSFET,重點研究了其強反型溝道開啟條件,并分別建立了應變Si pMOSFET、應變SiGe pMOSFE

6、T平帶電壓模型、閾值電壓模型;同時,結合“應變工程”與“柵極工程”,提出了異質多晶 SiGe柵應變Si nMOSFET結構,并研究了其閾值電壓特性,建立了相關模型。與器件仿真結果的對比表明,所建模型能較好的反映硅基雙軸應變MOSFET的閾值電壓特性,為硅基雙軸應變MOS器件的制備提供了理論基礎與技術支持。以上研究成果,為硅基雙軸應變MOS器件的設計、制備提供了重要的理論指導以及技術支撐,為硅基雙軸應變 MOS器件模型參數(shù)提取與仿真技術的

7、開發(fā)提出了技術需求。
　?、仍谏鲜霾牧霞捌骷匦缘难芯炕A上,制備了多組硅基雙軸應變MOSFET。測試結果表明,相同條件下,應變 Si nMOSFET的跨導比體Si的提高了兩倍,而應變SiGe量子阱pMOSFET的跨導比體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數(shù)據(jù)。
　?、赏黄屏斯杌鶓僊OS器件參數(shù)提取關鍵技術,提出了硅基雙軸應變MOS器件參數(shù)提取方法;同時,研究了參數(shù)提取軟件架構,

8、以及相關計算機軟件實現(xiàn)算法,開發(fā)了硅基雙軸應變 MOS器件模型參數(shù)提取軟件,成功實現(xiàn)了硅基雙軸應變MOS器件的參數(shù)提取。
　?、驶谧灾鏖_發(fā)的應變Si、應變SiGe MOSFET等效電路及其相關參數(shù)模型,采用Verilog_A高級硬件描述語言,研發(fā)了硅基雙軸應變MOS器件的EDA仿真外掛包,實現(xiàn)了與Spice/Spectra資源共享的硅基雙軸應變MOS器件的仿真。通過與器件測試結果的對比,驗證了參數(shù)提取軟件和EDA外掛包的有效性和