新型應(yīng)變SGOI-SOI MOSFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析.pdf

1、應(yīng)變硅材料遷移率高、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào),且其應(yīng)用與硅工藝兼容,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的研究領(lǐng)域和研究發(fā)展重點(diǎn),在高速/高性能器件和電路中有極大的應(yīng)用前景。而基于SOI技術(shù)的新型器件被認(rèn)為是納米范圍內(nèi)具有應(yīng)用前景的器件結(jié)構(gòu)。本文從器件結(jié)構(gòu)、物理模型等方面對(duì)新型應(yīng)變SGOI/SOI MOSFET進(jìn)行了分析研究。主要的研究工作和成果如下:
　　 1.在SOI結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引進(jìn)應(yīng)變硅溝道,研究了堆疊柵介質(zhì)全耗盡應(yīng)變SGOIMOSFET新型器件,并對(duì)其

2、特性作了一些初步探索。研究了該器件的制備工藝,分析了該器件的電學(xué)特性,給出了其能帶結(jié)構(gòu)及其它參數(shù)的應(yīng)變模型?；诰_求解二維泊松方程,建立了堆疊柵介質(zhì)全耗盡應(yīng)變SGOI MOSFET精簡(jiǎn)的二維表面勢(shì)解析模型、二維閾值電壓解析模型和亞閾值斜率模型。分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的器件能較好的抑制短溝道效應(yīng)(SCE)、漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)(DIBL),并能提高其亞閾值特性。借助ISE軟件驗(yàn)證了以上模型。結(jié)果表明理論計(jì)算模型和ISE模擬二者結(jié)果吻合較好。

3、r>　　 提出了一種新型的高k柵介質(zhì)應(yīng)變硅全耗盡SOI MOSFET結(jié)構(gòu)。通過(guò)求解二維泊松方程建立了該新結(jié)構(gòu)的二維閾值電壓模型。在該模型中考慮了影響閾值電壓的主要參數(shù)。分析了閾值電壓與弛豫層中的Ge組分、應(yīng)變硅層厚度的關(guān)系。研究結(jié)果表明閾值電壓隨弛豫層中Ge組分的提高和應(yīng)變硅層的厚度增加而降低。此外,還分析了閾值電壓與高k柵介質(zhì)的介電常數(shù)和應(yīng)變硅層的摻雜濃度的關(guān)系。研究結(jié)果表明閾值電壓隨高k介質(zhì)的介電常數(shù)的增加而增大,隨應(yīng)變硅層的摻雜

4、濃度的提高而增大。最后分析了該結(jié)構(gòu)的短溝道效應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)。分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠很好地抑制短溝道效應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)。
　　 2.在分析傳統(tǒng)體硅應(yīng)變器件存在的問(wèn)題和雙柵器件的優(yōu)點(diǎn)及雙柵應(yīng)變硅的簡(jiǎn)要介紹制作工藝的基礎(chǔ)上,研究了對(duì)稱堆疊柵雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET新型器件?；趯?duì)二維泊松方程的精確求解,建立了對(duì)稱堆疊柵雙柵全耗盡應(yīng)變SOIMOSFET溝道的二維電勢(shì),二維表面勢(shì)解析模型及該器件的二維閾值電壓解析模型、

5、亞閾值電流和亞閾值斜率。借助ISE軟件驗(yàn)證了以上模型。結(jié)果表明根據(jù)理論模型計(jì)算和ISE模擬二者結(jié)果較吻合。除了對(duì)器件物理的理論研究有很重要的意義外,對(duì)抑制短溝道效應(yīng)的納米級(jí)器件的設(shè)計(jì)也有重要的指導(dǎo)意義。
　　 提出了非對(duì)稱雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET新型器件。通過(guò)求解二維泊松方程,建立了非對(duì)稱雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET的表面勢(shì)和閾值電壓模型。分別對(duì)前柵表面勢(shì)和背柵表面勢(shì)及前柵閾值電壓與背柵閾值電壓進(jìn)行了分析,并且借

6、助ISE軟件驗(yàn)證了以上模型。分析結(jié)果表明根據(jù)理論模型計(jì)算和ISE模擬二者結(jié)果吻合較好。該器件模型的建立不但對(duì)器件物理的理論研究有很重要的意義外,而且對(duì)抑制短溝道效應(yīng)的納米級(jí)器件的設(shè)計(jì)也有重要的指導(dǎo)意義。
　　 3.在結(jié)合異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)器件的特點(diǎn)與應(yīng)變硅器件的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究了異質(zhì)柵應(yīng)變SGOI MOSFET新型器件。通過(guò)對(duì)二維泊松方程的求解,建立了該器件的二維表面勢(shì)、二維表面電場(chǎng)和閾值電壓模型。然后對(duì)以上模型進(jìn)行了研究與分析。結(jié)果

7、表明溝道中出現(xiàn)電勢(shì)階梯分布,靠近漏端的金屬屏蔽了漏電壓對(duì)源-溝道勢(shì)壘的影響,抑制了短溝道效應(yīng)。此外,分析得到該器件具有較好的抑制漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)的能力。通過(guò)ISE軟件驗(yàn)證了以上模型。驗(yàn)證結(jié)果表明根據(jù)理論模型計(jì)算和ISE模擬二者結(jié)果基本一致。
　　 提出了異質(zhì)柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET新型結(jié)構(gòu)器件。通過(guò)對(duì)該器件溝道二維泊松方程的求解,建立了非對(duì)稱雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET的表面勢(shì)和閾值電壓模型。在此基礎(chǔ)上分析了該器件

8、的電學(xué)特性。研究結(jié)果表明溝道中出現(xiàn)電勢(shì)階梯分布,靠近漏端的金屬屏蔽了漏電壓對(duì)源.溝道勢(shì)壘的影響,抑制了短溝道效應(yīng)。同時(shí)由于近源端存在電場(chǎng)峰值,電子的輸運(yùn)效率提高,電流增大。此外,漏端的電場(chǎng)峰值降低,有利于降低熱載流子效應(yīng),并且采用ISE數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證了以上模型。
　　 研究了非對(duì)稱異質(zhì)雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET新型器件。通過(guò)求解二維泊松方程,建立了非對(duì)稱異質(zhì)雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFET的前柵和背柵的表面勢(shì)模型和閾

9、值電壓模型。比較前柵和背柵閾值電壓確定該器件的閾值電壓模型。同時(shí),分析得到該器件有較好的抑制短溝道效應(yīng)的能力。研究結(jié)果表明根據(jù)理論模型計(jì)算和ISE模擬二者結(jié)果較吻合。該新型器件模型的建立不但對(duì)器件的理論研究有一定的意義,而且對(duì)非對(duì)稱異質(zhì)雙柵全耗盡應(yīng)變SOI MOSFETs的設(shè)計(jì)也有重要的指導(dǎo)意義。
　　 綜上所述,本文在SOI MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了幾種新型應(yīng)變硅器件結(jié)構(gòu),并以數(shù)值仿真和物理建模等手段作了大量和深入的理