硅基双轴应变MOS器件及其仿真关键技术研究

【摘要】随着微电子技术的不断发展，传统的Si材料、Si器件受到了诸多挑战，半导体器件的性能因材料和器件物理特性的限制难以继续提高，为此，需要采用新型材料与器件结构以获得半导体器件性能的进一步改善。在此背景下，硅基双轴应变技术应运而生。随着应力的引入，Si和SiGe材料的能带结构发生了改变，材料载流子迁移率获得提升，使得基于该技术的MOS器件性能增强，同时，硅基双轴应变材料容易实现大面积生长，器件的制备技术与传统Si工艺的相兼容，因此，以应变Si、应变SiGe为代表的硅基双轴应变技术成为了国内外研究机构的研究热点，在航空、航天和通讯等领域具有极大的发展空间和应用前景。然而，由于硅基双轴应变材料结构的特殊性，在以之为基础的硅基双轴应变MOS器件的I-V特性获得提升的同时，其C-V特性、阈值电压特性，与传统Si器件的相比均呈现出新的变化，现有的体SiMOS器件模型难以描述该类器件的新特性，必须开发新的适用于硅基双轴应变MOS器件模型。新的模型使得目前通用的MOS器件模型参数提取与仿真技术无法实现硅基双轴应变MOS器件的仿真工作，严重制约了硅基双轴应变技术的发展、推广。为此，本文重点针对高质量硅基双轴应变材料制备方法，硅基双轴应变MOS结构C-V特性及其阈值电压特性，硅基双轴应变MOS器件参数提取与仿真技术进行了系统、深入的研究。所取得的主要研究成果为：1.研究了硅基双轴应变材料的位错缺陷类型、缺陷行为及其控制技术，采用一种利用渐变SiGe缓冲层及低温Si缓冲层相结合的硅基双轴应变材料方法，制备出了高质量硅基应变材料。AFM、TEM和Raman散射等表征结果表明，材料结晶状况良好，缺陷密度低于105cm-2，满足器件要求。2.研究发现，硅基双轴应变MOS结构C-V特性中出现了“台阶”且该“台阶”会随掺杂浓度的不同而发生变化。针对该现象，分别揭示了应变Sin/pMOS、应变SiGepMOS纵向结构的微观载流子输运机制，提出了应变SinMOS积累区、应变SiGepMOS反型区C-V特性中“台阶”的形成机理，以及应变SipMOS结构C-V特性中“台阶”的转移机理，并建立了应变Sin/pMOS、应变SiGepMOS结构C-V特性模型，分析了掺杂浓度对“台阶”的影响。模型计算结果与器件仿真结果符合较好，验证了模型的正确性。3.考虑硅基双轴应变MOS结构的特殊性，针对容易出现多沟道的应变SipMOSFET、应变SiGepMOSFET，重点研究了其强反型沟道开启条件，并分别建立了应变SipMOSFET、应变SiGepMOSFET平带电压模型、阈值电压模型；同时，结合“应变工程”与“栅极工程”，提出了异质多晶SiGe栅应变SinMOSFET结构，并研究了其阈值电压特性，建立了相关模型。与器件仿真结果的对比表明，所建模型能较好的反映硅基双轴应变MOSFET的阈值电压特性，为硅基双轴应变MOS器件的制备提供了理论基础与技术支持。以上研究成果，为硅基双轴应变MOS器件的设计、制备提供了重要的理论指导以及技术支撑，为硅基双轴应变MOS器件模型参数提取与仿真技术的开发提出了技术需求。4.在上述材料及器件特性的研究基础上，制备了多组硅基双轴应变MOSFET。测试结果表明，相同条件下，应变SinMOSFET的跨导比体Si的提高了两倍，而应变SiGe量子阱pMOSFET的跨导比体Si的提高了一倍，呈现出优良的器件特性；获得了器件模型参数提取与仿真所需的电学数据。5.突破了硅基应变MOS器件参数提取关键技术，提出了硅基双轴应变MOS器件参数提取方法；同时，研究了参数提取软件架构，以及相关计算机软件实现算法，开发了硅基双轴应变MOS器件模型参数提取软件，成功实现了硅基双轴应变MOS器件的参数提取。6.基于自主开发的应变Si、应变SiGeMOSFET等效电路及其相关参数模型，采用Verilog_A高级硬件描述语言，研发了硅基双轴应变MOS器件的EDA仿真外挂包，实现了与Spice/Spectra资源共享的硅基双轴应变MOS器件的仿真。通过与器件测试结果的对比，验证了参数提取软件和EDA外挂包的有效性和实用性，解决了硅基双轴应变MOS器件与电路的仿真问题。
【作者】王斌；
【导师】张鹤鸣；张玉明；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子，2014，博士
【关键词】硅基双轴应变；MOS器件；C-V模型；阈值电压；参数提取；

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