（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic埋沟mosfet的特性模拟研究.pdf

摘要 摘要 s i cm o s 器件由于受s i 0 2 s i c 界面处高浓度的界面陷进的影响使得反型层 的电子迁移率很低，最终导致器件的跨导较低，4 h s i c 材料更为明显。为了提 高场效应晶体管特性，本文介绍了一种新型结构的器件，简称4 h s i c 埋沟 m o s f e t , 就是在s i 0 2 s i c 界汁入联nj 弘埋沟层。 论文给出了4 i t s i cb c m o s f e t 的基本结构及模型，并分析了其电流输运 机制。根据偏置条件不同，埋沟m o s f e t 大概有四种工作模式为：积累模式、 耗尽模式、兴断模式、反型模式。一般情况f 器件只用耗尽模式和央断模式。 通过二维模拟软件m e d i c i 模拟了4 h s i cb c m o s f e t 的基本伏安特性， 分析了栅极材料、掺杂浓度、栅氧化层厚度、沟道深度、温度等其它因素对4 h s i c b c m o s f e t 伏安特性的影响。 对4 1 - t s i c 埋沟m o s f e t 器什进行了研制，离子注入得到的沟道深度为 o 2 “m 。从转移特性提取的峰值场效应辽移率为1 8 1 e m z ( v s ) 。造成场效应迁移 率低的主要因素可能是低的离子注入激活率和粗糙的器件表面，3 a m 器件的饱 和跨导约为1 0 2 s 。 本文对4 h s i cb c m o s | ：e j l 的器件特性、模型和模拟等丌拓性工作为这种 新结构器件的研究发展奠定，媾础。 关键词：s i c ，埋沟，m o s f e t ，迁移率，m e d i c i a b s t r a c l a b s t r a c t s i cm o sd e v i c e ss u f f e rf r o ml o ws u r f a c ed u et oh i g hd e n s i t i e so ft r a p sa tt h e s i 0 2 s i ci n t e r f a c eb e c a u s et h e yc a u s ep o o ri n v e r s i o nl a y e rm o b i l i t y , e s p e c i a l l yf o r 4 h s i c t oi m p r o v ef e 7 1 1p e r t b r m a n c e t h en o v e l4 h s i cm e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o rw i t hi m p l a n t e dn - t y p el a y e r sn e a rs i 0 2 s i ci n t e r f a c e ( 4 h s i c b c m o s f e t ) i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , ab a s i cs t r u c t u r eo f4 h s i cb c m o s f e ti sp r e s e n t e d ，a n dt h et r a n s p o r t c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d d e p c n d i n go nt h eb i a sc o n d i t i o n s ，f o u rg e n e r a lo p e r a t i n g m o d e sa r ep o s s i b l ef o rb u r i c d c h a n n e lm o s i ? e t s ：a c c u m u l a t i o n d e p l e t i o n p i n c h o f f a n di n v e r s i o n h o w e v e r ，t h ed c v i c ci sn o r m a l l yu s e do n l yi nt h ed e p l e t i o na n d p i n c h o f f m o d e s s e c o n d l y t h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo ft h i sd e v i c ei ss i m u l a t e dw i t h2 dd e v i c e s i m u l a t o rm e d i c i t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tg a t em a t e r i a l ，d o p i n gc o n c e n t r a t i o n ，o x i d e t h i c k n e s s ，c h a n n e ld e p t h t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r so nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c e a r ed i s c u s s e d t h i r d l y , t h eb u r i e dc h a n n e lm o s f e t so n4 h s i cw e r ef a b r i c a t e d t h ec h a n n e l d e p t h i sa b o u t0 2 ma f t e ri m p l a n t a t i o n t h ep e a kf i e l d e f f e c tm o b i l i t yo f 1 8 1 c m 2 ( v s ) f o r5 tm d e v i c ei sa c h i e v e dl , o wa c t i v er a t eo fi m p l a n t a t i o na n dr o u g h s u r f a c em a yb et h ei m p o r t a n tf a c t o r st oc a u s el o wf i e l d e f f e c tm o b i l i t y t h e t r a n s c o n d u c t a n c ei sl0 2 sf o rl e n g t ho f3 m f i n a l l yt h ep e r f o r m a n c e ，m o d e l ，a n ds i m u l a t i o nf o r4 h s i cb c m o s f e ta r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h i sp r o v i d e st h ef u n d a m e n t a lw o r kf o ri t sf l r t h e rr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：s i c ，b u r i e d c h a n n e l m o s f e t , m o b i l i t y , m e d i c i 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：壑缝 同期：椰i i 1 8 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文t 作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：一垒越 导师签名： 红 同期：塑笪：! ：! ! r 期：垂竺：! 壁 第1 章引志 第一章引言 1 1 碳化硅材料的优势和研究意义 随着科学技术的发腰，现在人们已经认识到宽禁带半导体器件和电路的重要 性。越来越多的领域矧航灭、航空、i 事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需要 能够承受高温同时义托一岛频、人j j j j 红、抗辐照等方面儿有良好性能的半导体器件 和集成电路1 2 j ，表1 1 为在这些领域巾当阿与未来器件工作温度的对比。虽然以 s i 和g a a s 为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子技术的迅猛发展， 但是如果温度高f2 5 0 v ，特别是当高温与大功率、高频、强辐射环境条件并存 时，s i 器件无法胜任。所以s i c1 i 导体材料作为自第一代元素半导体材料( s i ) 和第二代化合物牛导体材料( g a a s 、g a p 、l n p 等) 之后发展起来的第三代宽带 隙半导体材料受到人们的重视。 表1 1 当前0 未来器什i 作温度的对比 麻“j 领域 l ：f 1 。 鼎( 。c ) 术求i ：f 1 ：温度( 。c )可靠性( 小时) 汽1 。i ur1 2 5 1 4 01 6 5 2 5 0 1 0 ，0 0 0 航空1 2 52 0 0 1 0 ，0 0 0 航犬3 0 05 0 0 1 0 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 t i 油钻井 1 7 5 1 7 5 1 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 地热开发 2 0 0 2 5 0 2 6 0 10 0 0 0 3 0 0 0 0 功率电子 1 2 52 5 0 5 0 0 1 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 s i c 材料特性方r f t e , j 优势包括宽禁带、高击穿j t z t i ：、高热导率、高饱和电子 漂移速度等方面，具体值列于表1 2 。而且，s i c 品格结构又具有同质多型的特点， 己被证实的多型体已越过2 0 0 多种。花t - - 导体应用时，4 h s i c 和6 h s i c 由于其 单品生长工艺的成熟+ h ：以及较好的。重复。盹，使它们存电子器件中应用比较广泛。 而且旧6 h s i c 十诃比，4 h + s i cj l 仃高的电f 迂移率和低的迁移率各向异性。在 4 h s i cm o s f e t 的n 沟反型以i - h i ug - 迁移率柏“低p 1 ，而6 h s i cm o s f e t 沟道迁移率可达7 2 c m 2 v s h i 。f h 是6 h s i c 平 j 二1 ic 轴的体迁移率却太低，约 为4 h s i c 的十分之。所有4 1 - t s i c 的这些特性使其成为大多数s i c 器件的首选 材料。论文所要讨论的b cm o s f e j 器件使用的材料就是4 h s i c 。 s i c 材料的宽禁带使f ! ，器件能矗j 干“0 商的温度p ( 5 0 0 0 c 以上) 工作以及具 2 4 h s i c 5 j 社jm o s f e t 的15 刊模拟彬f ，t 有发射蓝光的能力：i 齑订穿1 1 1 场决定r 器什：a 爪、人功率p f ：能；i ：1 5 的饱和电子 漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速l ：作性能：高热导率意味着其导 热性能好，可以大大提高电路的集成度i ”，减少冷却散热系统，从而大大减少整 机的体积。此外s i c 具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和高 的抗辐射破坏的能力，s i c 器件的抗中f 能力伞少是s i 器件的4 倍。表1 3 总结 了s i c 材料的未来应用领域【6 j 。这些都表叫s i cf 1 ：为第i 代、 ，导体足| 1 前发展最 成熟的宽禁带半导体材料，其优异性能决定了邑r 会柏：航天、航空、z i 油勘探、核 能及通信等极端领域发挥重要应用。 表1 2 室湍r 碳化诈、砘平砷化镓材料特性的比较 s j c s ig a a s 4 h s i c6 h s i ( 、3 c s i c 檗带宽度( e v ) ( 2 1 0 0 ( 升华) 2 1 0 0 ( f l f 仁) 2 1 0 0 ( 升华)1 6 9 01 5 1 0 电子迁移率( c i t l 2 v - s )1 0 2 06 0 )1 0 0 01 4 0 08 5 0 0 空穴迁移率( c m 2 v s ) l l5 4 04 06 0 04 0 0 表1 3s i c 材利的脚川领域 特性 ： 什应川 高温i 也，器什干集成i u 路 各种高温h 、境 短波k 发光器什( 监、绿光j全彩色锓示 监光激光极管高密度数据存储 宽带隙 紫外光敏二极管发动机监测、控制 抗辐射器 ，l ：核战场、核叱、宁航 异质结器什箨种l u f 系统 高性能功率器r l i ur 摔制系统能系统 高击穿场慢高压器什电力电f 系统 高密度i c 封装各种电子系统 高电子漂移速微波器什相控阵甫达、通讯、j 、。橘 ：i 述器什1 ：川系统、数拱l ：处珲 “集成度i c 符利l u ，系统 高热导率 良好热托敞的人功率器什 1 艟、航审系统 1 2 碳化硅进展m o s f e t 进展情况及存在的主要问题 半导体功率器件分为两类：类足m o s 器件：另一类是双极结型器件。功 率m o s f e t 具有1 ：作频率一留、栅1 乜_ | 1 l ，j 控制的优点。m o s f e t 是微处理器和半导 体存储器等人规模集成1 u 路年超人规模集成电路l 最霞要的一种器件，在半导体 器件中占有重要地位。i f 前制作g o s f i l 的材料大多使用s j ，随着电子技术的进 步，高温、高频、强辐射等恶劣条件对! ，导体器件和电路提出了更高的要求，s i 材料由j 二器材料特1 r ：l 经无法满越这蝗苛刻要求，s i c 基m o s f e t 将是大功率、 高温和高频 ：作的 良r 的选择。 m o s f e t 应用j ：j 力率丌火f 优势包括：控制电路输入阻抗高，对驱动电路的 要求简单；因其桶于单极器 ，i ：， 态时1 i 存储少数载流子，没有明显的关念延迟： 与可控硅不同之点还存m j jm o s f e t 呈现出饱和电流一电压特性，确保大范围的工 作区。s i cm o s f e t 优于硅功率m o s f e ，r 是凶其较高的临界电场，在阻断电压保 持不变的条件f ，采川史薄的霞掺杂漂移区。因此，s i cm o s f e t 的开念电阻估 算为阻断电压( 人rl k v ) i ：卧d 的砬器件的百分之爷两百分之一1 7 】。对于较低 电压器件，川：念i n m ：坚决定m o s f e r 沟道电m ，而不是漂移区电阻，然而，已 获得的沟道迁移率则足州：的1 分之 。， 碳化硅材料和其它宽禁带材料柑比，一个显著优点是可以在它的表面制作 绝缘层二氧化硅。这刈j ：j j 其制作存集成l 乜路中应用最广的m 0 s f e t 非常有 利。s i cm o s f e t 的研究始j ：卜个f = 纪八 一年代术期i ”，第一只s i c 功率 m o s f e t 制备j ：1 9 9 4q - h i 。1 9 9 5q - ：db s l a t e r 报道了增强型的s i c n m o s 和 p m o s 器件l ，器件扫：3 5 0 。c 仃较好的电特性。在3 0 0 5 0 0 。c 对器件测试，没 有出现因栅氧化层击穿而引起的失效。栅氧化层上的电场分别达到1 5 m v c m ( n m o s ) 和2 m v c m ( p m o s ) 。这说明m o s f e t 在高温下有很好的可靠性。 1 9 9 7 年j s p i t z 报道r 第j l4 1 t s i c 横向双注入m o s f e t ( l d m o s f e t ) ，击 穿电压高达2 6 0 0 v i 。1 9 9 8 年d p e t e r s 等人报道r6 h s i c 纵向m o s f e t ，击 穿电眶达到1 8 0 0 v ，栅氯化脎0 f 乜场达到2 7 m v c m j 1 2 1 2 0 0 2 年s b a n e r j e e 等人报道了6 1 t s i c 横向m o s f e r ，击穿电压也达到了1 3 0 0 v i l “。2 0 0 4 年， w w a n g 等人报道的4 h 。s i cm o s f e tf l , j ( 1 a t e r a lt w o z o n e ) 结构应用n o 退火，提高 了表面特性，反型j ，；的迁移术达刽r2 5 c m 2 v s ，比 氯退火1 ：艺的迁移率提高了 4 倍，而且，埒穿叱j j ! 为9 3 0 v i ，h1 1 给川j ，从1 9 9 2 年j 下始功率s i c m o s f e t 的发展历程i ”i 这 切均表叫，s i ( 、m o s f e t 积：高温、r 岛频、大功率器件应用 方面有着良n ，的发胜l 讨撩。 4 4 1 t s i c 州沟m o s f i ii 的特性模拟州究 1 9 9 21 9 9 4 1 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 2 y e a r 陶1j j j ；社s i cm o s f e r 的蔹腱j 力r f 目前s i cm o s f e t 的期望优势还远未搿剑发扦，主要问题是反型层有效迁移 率过低，导致跨导、导通电阻等输出特性，叟静，而4 h s i c m o s 器件反型层迁移 率甚至比6 h s i c 器件的迁移率还要低。 导致迁移率较低的原因是多方面的。比如s i ci l i _ ! f ：氰化的速率要比硅低很多 的化学稳定性，在工艺过程巾化学刻蚀方法l ! 小i | f 适川，通常我们需要采用离子 刻蚀的方法。但是在碳化硅杂质原f 的扩散系数1 分的低，所以 j 前火多数s i c m o s f e t 不得不采用离子注入形成源漏区的掺杂，而离子注入的工艺难度较大， 需要在1 5 0 0 1 6 0 0 高温退火下处理，容易0 i 入晶格缺陷。而离子注入后的杂质 激活率一般低于百分之十t 加i ：仵常温卜自 质小能j t 全离化，这业都会使源漏区 的电阻变大，沟道的载流子迁移率r 降，j l | 夸吁变小，从而，“晕膨响了m o s f e t d 的性能m i l l 7 1 。其中s c h o m e r 等人认为价带以l ：2 9 e v 处的人的界面念是导致 器件沟道迁移率较小的主要原因，它包括两个方| j l j ：第，s i c s i 0 2 界面具有较 大的界面念和固定的氧化层电荷，从而产牛库仑电场，使得表面反型层中的载流 子在运动时受到了库仑散射，使载流予迁移率降低；第_ ，s i 0 2 s i c 界面的不平 整性是显著的，商用s i c 衬底j ：般都会发观彳 - 本抛光掉的划痕，另外s i c 生长 过程中的微管缺陷也会使其表而的 糙度加人，界弧的料糙会引起沟道l 乜予大量 附加的散射，因此表面粗糙度散射也址造成b z 掣沟道l i ，载流r 辽移；笨的降低。界 面对s i cm o s f e t 的特中k 有菥极人的影响，这j _ 也大夫降低，它的吸引力。 一一啦n活=o霸c量oo毯 坼e i , i ：引，i 我们文r 1 1 要讨论的4 l _ l s i c 期呐m o s f e ，l 就址通过改变器件结构来减小界面 态对导电沟道的影响，从而达到提高载流子迁移率目的。 1 3s i c 埋沟m o s f e t 的研究意义及发展现状 埋沟m o s f e t 就是存传统的m o s f e t 的基础上，在衬底表面注入一层与其 掺杂类型相反的杂质，从而影响器件的闽值电压，提高工作特性。它的导电沟道 是当器件表而耗尽但还未必断时拍：半导体内部产生的，即当漏端加j 下电压时，埋 沟中就有电子从源端运动争漏端，i m l l l , j 埋沟 讧r 半导体体内，离表面有一定 的距离，所以载流子4 i 会受到界l 以及，i 自i 念电荷的敞射影响，从而大大提高了 体迁移率，i m 塞也就成为r 坪沟作h | 的j i 要体现。 1 9 9 4 年，s t s h e p p a r d 等人报道了利用离子注入和热氧化方法研制的 6 h s i c 埋沟器件，其- i ，t t p 沟掺杂浓度约为4 7 l o ”c m 一，沟道深度约为0 1 6 微米。 得到器件的央断i 乜j i i 人约为2 0 v ，沟道p 【if 迁移率最大值大概为18 0 啪2 v s ； 1 9 9 6 年1 2 ，还是这个l ：f 1 孙纰义研究第。个6 h s i c 埋沟电荷耦合器件，其中沟 道掺杂为1 6 1 0 ”c m 。1 ，嘶| j - 朋沟魁川： = 入氮的方法形成，对s i cm o s 系统，应 用了双层交叠多品硅【艺。所得到的沟道电子迁移率为2 0 0 c m 2 v s 。在5 5 k h z 的 频率下，电荷转移效率高于9 9 4 。 2 0 0 1 年川， s h i n s u k eh a r a d a 等人研究了注入深度对4 h s i cm o s f e t 沟道 迁移率和阂值电压的影q 讯成功研制j 增强型4 h s i cn 沟b cm o s f e t 。研究结 果表明，器件最优化的州沟深度为0 2 1 a m ，u r 以得到峰值为1 4 0 c m 2 v s 的沟道场 效应迁移率，阂值电压为o 3 v ，衬底掺杂浓度为5x1 0 ”c m ，沟道掺杂浓度为l x 1 0 7 c m 一。随着注入深度的增加，场效应迁移率的峰值也增加。当注入深度为 o 2 5 u m 时，得到的场效应迁移率的峰值为2 3 0 c m 2 v s 。 尽管目前在s i c 埋沟m o s f e t 的研制方面耿得了很大的成功，但是国内外 在s i c 埋沟m o s f e q 器件 奠拟，j 。t i l l 的报道印很少，要想充分发挥s i c 的应用潜 力，理论上和实践i 一部还仃很多1f ， ：要作。l 于s i c 的能级较深，杂质在常温下 的离化率很小，所以在器件应用的人部分温度范围内，杂质都是部分离化的，这 是和s i 和g a a s 材料不一样的，罐于s i c 材料的优良特性，为了深入了解s i c 器 件的物理特性和性能，尽可能缩短器件研制和试验周期，优化设计和工艺，对s i c 器件进行模拟显得极为呕要。 1 4 本义的主要：i ：作 6 4 h s i c 州沟m o s f e i 的特性模拟研究 本文利用a v a n t ! 公司的m e d i c i维模拟软件，j ：要刈4 h s i c 埋沟 m o s f e t 这种新型的s i c 结构进行了以卜儿厅的模拟研究： 给出4 h s i cn 沟b em o s f e ，j 的基奉结构模型，并在此基 i | e 分析了器件 的工作机理，讨论了不同偏压下的工作模，j i ：l 给出了电流方程： 接着介绍了在模拟，辛模型的选取及参数的确定，其巾主要包括迁移率模型和 不完全电离模型。在m 确选取模碰的基f i f | j 卜分析j ，各种材料结构参数对器件特性 的影响，主要讨论了沟道深度对器件特件的影l i i _ ： 晟后对器件的温度特性进行了讨论。 第二章4 h s i c 州沟m o s f e t 的棋掣和1 作机理 第二章4 h s i c 埋沟m o s f e t 的模型和工作机理 埋沟m o s f e t 由于导电沟道足在半导体内部产生，离表面有一定的距离，所 以载流子受界面以及界面念电荷的散射影响和表面沟道m o s f e t 相比大大减小， 从而大大提高了载流子迁移率。图2 1 为埋沟m o s f e t 的器件结构，其导电沟道 为n 沟，可以看出和传统的m o s f e t 相比，是在衬底表面注入一层与其掺杂类型 相反的杂质，从而影响器件的闽值i 乜压，提高工作特性。 l 。 n+ n + m 幽2 i 州沟m o s f e t 器什结构 2 14 h s i c 埋沟m o s f e t 的模型选取 模拟工作中主要用到a v a n t 公司的：维模拟软件m e d i c i ，对4 h s i c 埋沟 m o s f e t 进行了_ = = 二维数值模拟分卡i 。m e d i c l 可以分析任意偏压下的双极晶体管、 场效应晶体管( m o s f e t 、j f e i 、m e s f e t ) 、二极管、异质结器件以及太阳电池 等多种半导体器件的电学特性，是一种功能十分强大的半导体器件模拟软件。模 拟流程如图2 2 。 m e d i c i 2 2 j 中对器件电学特性的模拟描述，主要是通过求解漂移一扩散模型中 的三组方程实现，同时考虑了载流f 迂移率模型，而且由于碳化硅材料的特有性 质，还考虑了杂质的不完全电离投j 靶，并对各模型中的参数作了相应的修改。 2 1 l 漂移一扩散模型 漂移一扩散模型的三组方程分别为：( 1 ) 泊松方程( p o i s s o n se q u a t i o n ) ，计 算器件中的电势分布：( 2 ) 戴流r j 生续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) ，求解器件中 各处的载流_ ，浓度；( 3 ) 载流r 输运厅程( c a r d e rt r a n s p o r t e q u a t i o n ) ，计算电子 8 一! 望：! 坚世塑塑旦! ! 塑：塑! 笪! ! 竖! 坠型! ! 一 和空穴电流密度。其中对于一般的【j 乏沟器仆，j l 篇i 求斛 ! _ 松万种和1 乜流连续性方 程。 1 1 占v 2 妒= - q ( p 一门+ j j ：) 一p ( 2 1 ) 其中，n 和p 为电子和空穴密度，q 为电j ，电量，j 和j 分别为电离 的杂质浓度，p 。为表面电荷浓度。 2 ，署= 扭 o _ p ：! 讨 a t q - u 。= f ( ，即，p ) u 。= f ( q z ，月，p ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，j 。和j 。分别为电子和空穴电流襁度，u 。和u u 分别为电子和空 穴的净复合几率。 3 ) z = 一q u , , n v o 。 ( 2 4 ) 一j j , 一q , u ，j 口弼， ( 2 5 ) 其中，以和, u p 分别为电子和空穴的迁移率。 初始网格生成 网格的优化和调粒 耦合求解方法 1 r 耦合求解方 开始 生成网格殳t 选取适“j 的物坤棋g 指定数值计算的打法 器f l ：各个物理龄的分布 器r l 端口电学特性 加端【 的偏1 潆条 软什模拟 l 刳2 2 m e d i c l 1 ( j 女拟流p 复合、兆，i j 、碰撞电 离、禁带宽度变化、 偌| l c 隧穿、载流子寿 命、辽移率模哪等。 偏乐、温度、 光蒈 第一二章4 h s i c 州沟m o s f e t 的模璎和i ：作机理 9 2 1 2 迁移率模型 m e d i c i 提供的迁移率模型徽多，i i 要分为i 人类：低场迁移率模型、横向场 迁移率模型和水平场迁移率模型，我2 1 详细的列举，各种迁移率模型。而且在 m e d i c i 模拟过程中，这三科- 迁移率模犁中的每类只能用一个。 表2m i - d i c i 中的迁移率模删 低场迁移率模喇锁阳场迁移率模弘水平场迁移率模弛 c c s m o bh p m o b l s m m o bf l d m o b g m c m o b t m p m o b a n a l y t “：p r p m o b a r o r as r f m o b c o n m o bs r r m o b 2 p h u m o bt f l f m o b u n i m o b 我们知道载流子的迁移率表扯了载流f 在半导体中输运时的散射机制。当载流 子的传输沟道在体内时，影响它n 勺机制包括品格散射、电离杂质散射等各种散射 机制的影响；当传输沟道靠近农向附近、j ，除了和体内载流子受到同样的影响机 制外，还要受到表面散射的影l 们。引起表面教射的原因很多，例如：表面粗糙度、 晶格不完整性、表面电荷、表面f 乜场等。我们应用m o s f e t 的埋沟结构，主要是 利用了它的导电沟道可以位于器件体内，减小界面态对运动载流子的影响这一特 性。所以模拟中选用了以下模型( 以电子为例) ： 1 ) 关于低场迁移率，在碳化觥材料中，品格散射( 声学声子) 和离化杂质散 射以及( 各向异性) 压电散射是限制、 均自由程的主要相关机制，因此迁移率与 掺杂浓度密切相关，所以我们选，目和行都有关的模，弘，需要在m o d e l 语句中 定义a n a l y t i c 的参数 j o ”2 m l n 十 叫甜、- u m t n“l 丽j - + ( 甜n 掣 8 ( 2 6 ) 其中。和。分别为a n a l y t i c 模型中电子迁移率的最小值和最大值， n u n 、口、x i n 均为模型定义的指数系数，n r e f n 为模型定义的参考电子掺杂浓度， f 。舡，) 为半导体的总掺杂浓度。对于4 h s i c ，模拟中的取值为= 4 0 c m 2 ，、，s ， “、= 2 1 0 c m 2 v s ，n i j n = 一2 4 ，n r f f n - 4 o 1 0 1 8 c m ， 口= 一0 7 6 1 2 引u 2 ) 关- j 二横向场迁移牢，闪为【篮嚣啦难a b 流力阳的1 u 场，又要考虑平 0 4 h s i c l ! 沟m o s f e t 旧特l l - 模拟圳究 行于电流方向的电场，而且所选迁移率模，弘j 、t 该通：器件内部，所以需要在 m o d e l 中定义p r p m o b 。 h n 咆“赢 ( 2 7 ) 其中g s u r f n 为界面系数，e 上。为垂直于r l ! f _ i f d 向的电场分量。对j 二4 h s i c ，模拟 中的取值为g s u r f n - o 0 0 1 ，e m u = 2 5 1 0 3 。 3 ) 关于水平场迁移率，当漏电压较大或沟道较短时，还应陔考虑水平场对载 流子的影响。选用c a u g h e y t h o m a s 模型，：岳委托m o d e l 中定义f l d m o b 。 ( 2 8 ) 其中鼠行为有效r t i 场的水平分量，v ，7 为f uj 二饱和速度，0 为f i 。d m o b 模型 的指数系数。对于4 h s i c ，模拟中的取戗为h l 2 0 1 0 7 m s ，p = 1 0 1 2 “。 2 1 3 不完全电离模型 在s i c 中，由于深能级的影响，杂质的t 乜离能较大，即使在大于常温 下，杂质也没有全部离化，这类似于s j 材料在低温下的“冻析”效应【25 1 。 它与器件的电学性能参数有密切的联系，在器件的分析和设计中必须加以 考虑。在m e d i c i 中，可以用费米分如求解r u 离方程模拟这一一现象： ；2 _ g c b 砭= 写1 +f 二生二卫1 j 5 忑了事n a l + g 瑚f ：= 卫1 ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 其中，g c b 和g v b 分别是导带和价带简并度，i j l ) 和e a 分别为施主 和受主杂质能级，e f n 和e f p 分别是f “j ，和宅穴的费米能级。对于4 h s i c ， 模拟中的取值为g c b = 2 ，g v b = 4 ，e d ( = e 【一ej ) ) = o 0 7 e v ，e a ( = e a e v ) = 0 2e v 。 2 1 4 数值计算方法的选择 对于半导体器件的体特性，m e d i c i 要是通过求解六个偏微分方程来实现 的，它们包括： ( 1 3 ) p o i s s o n 方程，电子和空穴连续性力。f i ! ，见j ( 2 一l 2 3 ) ： ( 4 - 5 ) 载流子能量平衡方程，见式( 2 1 1 2 一1 2 ) ： ( 6 ) 品格热方程，见式( 2 1 3 ) 。 一t 一降 一卜 第、章4 h s i c 州沟m o s f e t 的模州嗣ii 作机理 v 点= 吉 口夺琶l 面 i i - - i 丽 0 + 了c o ( n u ) h 钟+ 钟( 2 - v q = j , e - 弛篙+ j 一吉乓嘭叫r 协 _ = u _ 1 = h 十v ( 旯( r ) v 7 ) ( 2 1 3 ) 品和s 为电子和空穴的能量流密度，p 为材料密度，为半导体产生的热( 包括 载流予输运产生的热和载流子复合，。牛的热) ，j 为材料的热导率。 在给定偏压的条件下，我们需要选择适当的数值运算方法，使得计算在正确的 前提下有最优的时间复杂度和空间复杂度。一般而言m e d i c i 模拟认为： ( 1 ) 零偏条件下，只需求解p o i s s o n 方程即可： ( 2 ) 求解m o s f e t 的i v 特性时，蚁需要求解一种载流子即可： ( 3 ) 求解双极和m o s f e j 的， j 穿特需要求解两种载流子： ( 4 ) 小尺寸器件的热载流r 设j 越( 此时电场变化很快) ，需加入求解载流子 能量平衡方程； ( 5 )当器件的热效应很显著叫，需加入品格热方程。 m e d i c i 提供了两种算法束求解j i 述的，、个偏微分方程：耦合算法( n e w t o n s m e t h o d ) 和非耦合算法( g u m m e l s m e t h o d ) 。每种乃法都要求解几个巨大的线 性方程系统。在每一个系统- l ，j i 程总量为网格点数量的1 4 倍，这取决于 要求解的器件方程个数。 n e w t o n s m e t h o d ，这种算法使用雅可比的高斯消去法稳定性很好，但是在 对两种载流子进行仿真时，所需的时i b j j 空间都极大。它适用于以下三种情况： 器件开启时只求解一种载流子；人功率器件中两种载流子的模拟：使用连续性方 法时的模拟。 g u m m e l sm e t h o d ，对f 小电流求解，它是进行稠：刈比行列式转换的种很好 的替换方法，g u n m a e l sm e t h o d 足。种门恰迭代计算法，町以采用非耦合迭代或耦 合迭代。对于非耦合迭代，在求解绑变量的时候，另外一。组被假定为确定值。 浚方法依照下列顺序求解：】) 假定推费米势固定求解p o i s s o n 方程；出于泊松方 程式为非线性的，因而该方程的求解使用内部牛顿迭代循环：2 ) 将求解的电势带 入连续性方程，得到裁流予的浓j ! ： ： ) 将所求得的i u 辨和载流予浓度代入所要求 解的下级方程，山j 二这些力w 芷怍线性的，需要使用内部牛顿迭代循环来求解： 4 h s i c 坤沟m o s f e 7 i 的特性l = ： 拟究 4 ) 当所有的方程都达到收敛，迭代循坏便会停止。该方法的成功与否关键在于方 程的耦合程度。最重要的耦合便是载流予电流的漂移项，它和泊松方程直接相关。 只要该漂移项不重要，g u m m e l 方法便是合适的：如果电流以漂移为主，则使 用该方法时收敛便会很慢。 只要载流子密度和i 巳势随电压的非线r 1 ：变化天系小魁很人，卅耦合算法是合适 的，否则要采用耦合算法，即同时联立求解载流子密度和电势。耦合算法在目前 来说是最可靠的算法，由于本文模拟的器件需要考虑温度因素，温度的变化会直 接影响载流子密度等参数，所以本文模拟时选用n e w t o n sm e t h o d 。 2 24 i - i s i c 埋沟m o s f e t 的输运机理 根据偏置条件的不同，埋沟m o s f e tj j 要包含的4 种工作模式分别为：表面 积累、表面耗尽、表而反型和兴断模式。此外还有多种混合模式，如：部分积累 部分耗尽模式等。 我们将以n 沟埋沟m o s f e t 为例，从i l 荷分布和i 乜势分1 1 j 两方面对各个工作 模式进行讨论，通过了解各个工作模式卜i 导电沟道的所处的不同位置，可以根掘 在某一偏压下的电荷分布确定j i _ lh , 1 器件所处的一1 二作模式；而电势分布可以帮助了 解在相应工作模式下能带的弯曲情i i ! - 。 2 2 1 表面积累模式 当v g v f b v d 时( 其中，v g 为栅极偏j l i ，v 阳为平带电压，v d 为漏极偏压) ， 在器件表面出现表面积累层，所以称为表面积累模式。圈2 3 ( a ) 为此时的电荷 分布情况，其中：一x 。 x o 为氧化层，o x x 。为表面积累区，x s x x 。为中性沟道 区，x n x x i 为由沟道和衬底形成的p n 结的n 型耗尽区，x i x x 。为p 型耗尽区， x i x v “v v b 时( 其巾，v ( y ) 为沿着沟道在y 点处的沟 道电势) ，在栅极下面就将出现部分的耗爆，即电子集聚只是出现在源接触和y 点 之悯，电了耗尽区就从y 点延伸剑漏端。这样，靠近漏区的导电沟道就不再位于 表面，而足位于体内形成埋沟。 2 2 3 耗尽模式 当v g 进一步减小到v o v f b v s ( v s 为源极偏压) 时，表面耗尽区将延伸 至整个沟道，此时，埋沟m o s f e t 就工作在表面耗尽模式。图2 4 ( a ) 为这时的 电荷分布，其中o x x 。为表面耗尽区，x s x x n 为导电沟道区，其余和图2 3 ( a ) 中相同。可以看出耗尽模式f f 9 导1 l 狰j 道拿部位弓二器件体内，从而减小了界面态 对运动载流子的影响；出图2 4 ( b ) 的电势分自i 蚓，可以看出在这种模式下，电 势的极大值不再位于表面而是转移到了沟道中，能带已经越过平带而向下弯曲， 并且沿着沟长方向随着电势的升高沟道的位置逐渐远离s i 0 2 s i c 界面。 2 2 4 兴断模式 随着栅极电压的减小，表耗j s k 和n 型耗尽【k 宽度都将增大，我们规定源 端的两个耗尽层相遇时，所加的栅极电j i i 称为闽值r 乜j e ，用v 1 h 表示。 当v g 0 时，认为器件工作在完全积累模式，这时乎均电容c 可以认为等于氧化层电容c o x ， 即c = c o x ：当v g v f b o 时，认为器件处 j 完全耗尽模式，这时的平均电容可 以用( 2 - 2 2 ) 表示： g - ：一生坐l 一 ( 2 2 2 ) f 1 _ 蟹矗、亟- v , ! ) 1 恐 l q 占占o n 。o 所以，最终得到统的迁移牢表达式为( 2 - 2 3 ) ： 乩：盟。三 ( 2 2 3 ) 盹2 贰。瓦。谚 u 一 2 4 奉章小结 4 h s i c 州沟m o s f e l 的特性模拟研究 首先给出了埋沟m o s f e t 的器件结构，接柠介绍了模拟软件m e d i c i 和器件 的主要工作模式： l 、对m e d i c i 模拟所选用的模型进仃r 简弘的介绍，主要包括迁移率模 型和不完全电离模型； 2 、根据所加电压的不同，分别介绍了州沟m o s f e t 的各个j ：作模式，而且 对在相应模式下的电荷分布和电势分伟都进行了讨论。并往此基础上给出了器件 的闽值电压和场效应迁移率方程。 第：章4 h - s i c 州沟m o s f e t 的伏安特性模拟2 l 第三章4 h s i c 埋沟m o s f e t 的伏安特性模拟 在m e d i c i 中，要对方榭进 j ：求解，首先要对方程进行离散化，这就 需要对网格进行划分和优化。器件模拟垃在i 而9 格的每个格点上进行数值求 解，所需要求解的疗靴n i 比 。格j l 数f i 的f 万。在建立器件初始网格后， 应立即消去多余的蜘讲线，水塔 j t 减小悯格点的数i 。此外m e d i c i 还能 根掘器件内电势或掺杂浓度的分钿对嘲格进行优化，在电势变化较大或介 质掺杂变化较大的地方对网格适当加密，从而使得优化后的网格可以更加 精确地描述相应的器件。本文模拟的器件为埋沟m o s f e t ，它的