（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic埋沟mosfet的高频小信号特性研究.pdf

摘要 摘要 s i c 材料具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等 优良特性，这些特性决定了它在高温、大功率、高频和抗辐照等方面的有着广泛 的应用前景。但是s i c m o s 器件由于受s i 0 2 j s i c 界面处高浓度的界面态的影响， m o s 器件反型层中的电子迁移率很低。为此，本文研究了4 h s i c 埋沟m o s f e t , 这是一种新型结构的m o s f e t ，它把导电沟道从表面移到体内，可以大大减小界 面态对沟道载流子迁移率的影响。 论文分析了埋沟m o s f e t 的基本工作模式，并且给出了各模式下的电流电压 特性。然后以4 h s i c 材料特性参数为基础，建立了4 h s i c 埋沟m o s f e t 的直流 分析模型。在直流分析的基础上，利用正弦稳态分析的方法对4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性进行了模拟，并与常规m o s f e t 进行对比，模拟结果显示了埋 沟m o s f e t 在高频应用中的优越性。接着分析了不同偏置条件和各种结构参数对 4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率的影响，以及它们取值时必须考虑的制约因素。另 外，界面态和温度对4 h s i c 埋沟m o s f e t 的影响也将会单独进行讨论。 最后介绍了4 h s i c 埋沟m o s f e t 研制的工艺流程以及关键工艺步骤，从测 试结果看出器件性能良好。 关键词：s i c ，埋沟，m o s f e t ，截止频率 a b s t r a c t a b s t r a c t s i ci sav e r yp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rh i 曲t e m p e r a t u r e ，h i 曲p o w e r ，h i g hf x e q u e n c y , a n dr a d i a t i o na p p l i c a t i o nb e c a u s eo f i t ss u p e r i o rp r o p e r t i e ss u c ha sw i d eb a n dg a p ，h i g h c r i t i c a lb r e a k d o w nf i e l d ，h i 曲t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dh i g hs a t u r a t i o ne l e c t r o nd r i f t v e l o c i t y b u ts i cm o s f e ts u f f e r sf r o ml o wi n v e r s i o nl a y e rm o b i l i t y d u et oh i g h d e n s i t i e so fi n t e r f a c es t a t e sa tt h es i 0 2 s i ci n t e r f a c e t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s i cm o s f e t , an o v e l4 h s i cm o s f e t , c a l l e d4 h s i cb u r i e d - c h a n n e lm o s f e t , i s s t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y t h eo p e r a t i o n a lm o d e so fb cm o s f e ta r ep r e s e n t e d d e p e n d i n go n d i f f e r e n tb i a sv o l t a g e s ，t h eb cm o s f e tc a nb eo p e r a t e di nd i f f e r e n tm o d e s t h e nt h e s t r u c t u r ea n dt h ep h y s i c a lm o d e l sa r eg i v e nc o n s i d e r i n gt h em a t e r i a lp a r a m e t e r so f 4 h - s i c b a s e do nt h ed ca n a l y s i s ，s m a l l s i g n a lh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f 4 1 - 1 s i cb cm o s f e th a v e b e e ns i m u l a t e du s i n gs i n u s o i d a ls t e a d y s t a t ea n a l y s i s a p p r o a c hb ym e d i c i i tc a l lb ec l e a r l ys e e nt h tt h eb cm o s f e t i ss u p e r i o ri nh i g h f r e q u e n c yf i e l db y t h ec o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lm o s f e t t h e n ，t h ee f f e c t so ft h e b i a sa n ds 订u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ec u t - o f ff r e q u e n c ya 豫a n a l y z e d ，t h ee f f e c t so f i n t e r f a c es t a t e sa n dt e m p e r a t u r ea r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h ep r o c e s so f4 h s i cb cm o s f e t i sp r e s e n t e d t h er e s u l t st e s t e ds h o w t h a tt h es i cb cm o s f e t s o p e r a t ew e l l 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 , c u t - o f f f r e q u e n c y 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：2 丝! 塾笠日期2 q 旦，l ：兰互 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工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) 本人签名：煎! 鳖 导师签名：三粗 日期鲨 ! f ：兰! e t 期生! 皇21 ：兰f 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 材料的优势和研究意义 越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需要 能够承受高温同时又在高频、大功率、抗辐照等方面具有良好性能的半导体器件 和集成电路1 1 j f 2 】。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，但是如果温度高于2 5 0 ，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 c 半导体材料作为自第一代元 素半导体材料( s i ) 和第二代化合物半导体材料( g a a s 、g a p 、i 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 列出了几种半导体材料基 本特性的比较【3 】。 表1 1 室温下几种半导体材料特性的比较 s i cs ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s j c 禁带宽度f e v ) 3 23 。02 31 11 4 2 击穿电场( m v c m ) 44 4o 60 6 熟导率( w c m k ) 3 53 53 51 50 5 饱和速度( 1 0 7 c m s ) 222 5】o1 2 介电常数9 。7 9 79 71 i 91 3 1 溶点( 。k ) 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升1 6 9 01 5 l o 华)华)华) e g = p 迁移；g ( c m 2 v s ) c 轴：8 0 0，c 轴：6 07 5 0 1 2 0 0 6 5 0 0 n d = 1 0 1 6 c n l d上c 轴：8 0 0上c 轴：4 0 0 空穴迁移率( c m 2 v s ) 1 1 59 04 04 2 0 3 2 0 n d 2 1 0 1 6 啪4 s i c 材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下( 5 0 0 。c 以上) 工作以及具 有发射蓝光的能力；高击穿电场决定了器件的高压、大功率性能；高的饱和电子 漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；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【4 】，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商的 抗辐射破坏的能力，s i c 器件的抗中子能力至少是s i 器件的4 倍。s i c 的这些优良 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 的特性使其在高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件等方面的应用倍受青睐， 是实现高温与高功率、高频及抗辐射相结合的理想材料，并和氮化镓、金刚石材 料一起被誉为是发展前景十分广阔的第三代半导体材料。 s i c 晶格结构又具有同质多型的特点，已被证实的多型体已超过2 0 0 多种。其 中，4 h - s i c 和6 h s i c 由于其单晶生长工艺的成熟性以及较好的重复性，使它们在 电子器件中应用比较广泛。而且同6 h - s i c 相比，4 i s i c 具有高的电子迁移率和低 的迁移率各向异性。同时，4 h s i c 的禁带宽度( 3 2 6 c v ) 比6 h - s i c ( 3 0 c v ) 大，更 重要的是，4 h s i c 的电子迁移率是6 h s i c 的两倍，这个特性使得4 h s i c 在大功 率器件中有着比较明显的优势。论文所要讨论的埋沟m o s f e t 使用的材料就是 4 h s i c 。 1 2s i cm o s f e t 的研究进展以及目前存在的问题 到目前为止，具有半导体特性的金刚石的几个材料问题使得m o s f e t 的实现 是不现实的，而s i c 是唯一一种本征的氧化物是s i 0 2 的化合物半导体。这就使得它 成为高性能功率m o s f e t 的理想材料。 二十世纪8 0 年代晚期第一个s i cm o s f e t s 问世【5 1 ，1 9 9 4 年j w p a l m o u r 等 人研制了第一个功率m o s f e t s 6 1 ：纵向槽栅m o s f e t s ，即u m o s f e t s 。为解决 其氧化层中电场过高的问题，j a c o o p e r 等人提出了一种新的结构川，在槽的底部 设计一层p 型掺杂区，使槽底的电场从氧化层s i c 界面上转移到p 型区和n 型漂 移区所构成的p n 结上，因此保护了氧化层。y l i 等人【8 】首次报道了具有槽氧化层 保护和结终端扩展( j t e ：j u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o n ) 的4 h s i c 纵向 u m o s f e t s ，其阻断电压可达3 3 6 0 v ，比导通电阻为1 9 9 m n m 2 ，品质因数v b 2 瓜。 为7 7 m w c m 2 。1 9 9 6 年的报道中介绍了平面双注入d m o s f e t s l 9 。器件的阻断电 压达到7 6 0 v 。1 9 9 8 年s i e m e n s 报道的三注入d m o s f e t s i l 0 1 ，得到了1 8 0 0 v 的阻 断电压和4 6 i n q - c m 2 的比导通电阻，品质因数v b 2 p s p 达到了7 0 m w c m 2 。2 0 0 0 年， k a n s a i e l e c t r i c p o w e r c o m p a n y ( k e p c o ) 和c r e e ，i n c ，d u r h a m , n c 研制了静电感应 积累型f e t 【n 】。该器件的阻断电压为6 1 k v ，比导通电阻为7 3 2 m i ) g i i l 2 ，v b 2 i t s p 达到了5 1 m w c m 2 。s c i h y u n gr y u 等人【i2 】报道的4 h s i cd i m o s f e t ，得到了 1 6 0 0 v 的阻断电压和2 7 m q - c m 2 的比导通电阻。2 0 0 4 年，他们又用掺杂为 8 x 1 0 “c m - 3 、8 5 9 m 厚的外延层研制了4 h s i cd m o s f e t ! 硌】，得到了迄今为止最高 的阻断电压( 1 0 k v ) 和最高的品质因数v a 2 r s p ( 8 1 3m w c m 2 ) 。 近年来横向m o s f e t 的发展也很迅速。1 9 9 7 年，j s p i t z 等人研制了s i c 横向 d m o s f e t i l 4 j ，其阻断电压高于那时候可利用的外延层厚度所能允许的电压： 第一章绪论 3 2 6 0 0 v ，比当时的纵向器件大三倍。l d m o s f e t 需要大的表面积来提供横向漂移 区，但是这可以通过应用r e s u r f 设计技术来最小化。tk i m o t 0 等人研制了横 向s i c 减小的表面场m o s f e t ，阻断电压为1 6 2 0 v ，开启电阻为2 3 4 m o c m 2 。 图1 1 给出了从1 9 9 2 年开始功率s i cm o s f e t 的发展历程【1 们，这一切均表 明，s i cm o s f e t 在高温、高频、大功率器件应用方面有着良好的发展前景。 y e a r 图1 1 功率s i cm o s f e t 的发展历程 d r a i ng a t es o u r c e 图1 , 2 双指s i c 横向r f m o s f e t 剖面图 在射频应用方面，目前被证明可以工作在射频段的s i c 器件是m e s f e t 和 s i t 。然而在许多应用中，增强型的s i cm o s f e t 在系统级的应用中更有优势。因 此，s i cm o s f e t 在高频方面的应用也一直得到广泛关注。2 0 0 1 年，d a 1 0 k 等 人【1 _ 7 】首次研制了4 h - s i c 横向r fm o s f e t ，用双金属层工艺可以很容易地改善器 件性能，优化了反型层迁移率和接触电阻的矛盾，结构如图1 2 所示。该结构l i a n a 栅长的器件的截止频率超过7 0 h z 。而由峰值跨导计算出来的场效应迁移率为 4 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 3 0 e r a 2 v s 。而在s im o s f e t 中，已经可以傲到5 0 n m 的s o i m o s f e t 具有1 9 3 g h z 的f m 。，8 0 n m 的s o i m o s f e t 具有1 8 5 g h z 的f m 。和1 2 0 g h z 的f t “。由此可见， s i cm o s f e t 在高频应用领域的研究还有很多问题需要解决。 目前s i cm o s f e t 的期望优势远未得到发挥，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变差，而4 h s i cm 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。这主要是由于s i c s i 0 2 乔面存在着大密度的 界面态引起的。而且界面态在禁带中呈不均匀分布，越靠近导带，界面态密度越 大，4 h s i c 最为严重。另外，s i c 生长过程中的微管缺陷，为激活杂质所采用的 高温退火工艺都使界面的糨糙度增加，界面的租糙会引起沟道中载流子大量附加 的散射，尤其在沟道载流予浓度较高时，这种表面散射作用会更加明显。s i c m o s f e t 反型层电子迁移率过低，直接制约了它在高频大功率应用领域的发展。 有很多研究工作者采取一些改善氧化工艺的方法以减小4 h s i c s i 0 2 界面上禁 带中的界面态密度，改善沟道中的载流子迁移率，但是效果不很显著，虽然也有 一些较好的结果，但具有一定的偶然性。另外，改善氧化工艺最多只能减小界面 态密度，界面粗糙的影响却并未减弱。除了改善氧化工艺以外，还可以通过使自 由载流子远离界面来减小界面对沟道迁移率的影响，因此，4 h - s i c 隐埋沟道 m o s f e t ( b u f f e d c h a n n e l m o s f e t ) 的研究吸引了一些研究工作者的注意。 1 3s i c 埋沟m o s f e t 的发展现状 埋沟m o s f e t 就是在传统的m o s f e t 的基础上，在衬底表面注入层与其掺 杂类型相反的杂质。它在不同的偏置下可以工作在不同的模式。当埋沟器件工作 在埋沟模式时，不仅界面粗糙度散射和界面态电荷库仑散射的影响大大减小，而 且由于此时费米能级离导带底较远，界面态密度较小，使界面态的陷阱效应也较 小。因此，4 h s i c 隐埋沟道m o s f e t 可以得到比较高的迁移率。研究结果也证实 了这一点。 1 9 9 4 年t 1 8 1 ，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 堙沟器件，其中埋沟掺杂浓度约为4 7 x1 0 g i l l - 3 ，沟道深度约为o 1 6 微米。得到 器件的夹断电压大约为- - 2 0 v ，沟道电子迁移率最大值大概为1 8 0e m 2 v s ；1 9 9 6 年t 1 9 1 ，他们又研究了第一个6 h s i c 埋沟电荷耦合器件，其中沟道掺杂为1 6 x 1 0 c m - 3 ，而且埋沟是用注入氮的方法形成，对s i cm o s 系统，应用了双层交叠多 晶硅工艺。所得到的沟道电子迁移率为2 0 0 9 m z n 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t 2 0 ，s h i n s u k eh a r a d a 等人研究了注入深度对4 1 - 1 s i cm o s f e t 沟道迁 第一章绪论 移率和阈值电压的影响，成功研制了增强型4 h s i cn 沟b cm o s f e t 。研究结果 表明，器件最优化的埋沟深度为o 2 v m ，可以得到峰值为1 4 0 e m 2 w s 的沟道场效应 迁移率，阈值电压为o 3 v ( 该器件衬底掺杂浓度为5 x1 0 ”c m 3 ，沟道掺杂浓度为 l 1 0 ”c m 4 ) 。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 0 2 5 u r n 时，得到的场效应迁移率的峰值为2 3 0 e m 2 v s 。 埋沟m o s f e t 具有较高的沟道电子迁移率，使它在高频应用领域具有更大的 潜力。目前在s i c 埋沟m o s f e t 的研制方面取得了些成功，但是国内外尚未有 报道对s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性进行系统的分析。因此，有必要对它 的这一特性进行详细的研究。由于s i c 材料与s i 和g a a s 不一样，常温下杂质在 s i c 中的离化率很小，所以在器件应用的大部分温度范围内，杂质都是部分离化的。 还有，s i c 埋沟m o s f e t 相对于常规m o s f e t 特殊结构，要求对它的高频研究理 论和实践上有很多工作要做。 1 4 本文的主要工作 本文利用a v a n t ! 公司的m e d i c i 二维模拟软件，主要对4 h s i c 埋沟 m o s f e t 这种新型的s i c 器件进行了以下几方面的模拟研究： 1 本文首先分析了4 h s i c 隐埋沟道m o s f e t 的几种工作模式和模型参数。 讨论了器件在不同偏压下的工作模式，并且给出了电流方程。建立4 h s i c n 沟b cm o s f e t 的直流模型，模拟结果与实验值符合较好。( 第二章) 2 在正确建立直流模型的基础上，利用正弦稳态分析法对4 h - s i c 埋沟 m o s f e t 进行交流小信号分析。利用y 参数计算出截止频率f i 和最高振荡 频率f m 。，并与常规m o s f e t 进行对比。( 第三章) 3 分析了不同直流偏置下4 h - s i c 埋沟m o s f e t 的截止频率。并且分析了各 结构参数对4 h - s i c 埋沟m o s f e t 截止频率的影响，以及它们取值时必须 考虑的制约因素。这些参数主要包括栅极的设计，栅长，沟道深度，掺杂 浓度。另外，界面态和温度的影响也将会单独进行讨论。( 第四章) 4 主要介绍4 h s i c 埋沟m o s f e t 的实验步骤，关键工艺以及测试结果等。 ( 第五章) 6 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 第二章4 h s i c 埋沟m o s f e t 基本模型和工作机理 本章主要介绍4 h s i c 埋沟m o s f e t 的工作机理，随后结合4 h s i c 材料的一 些特性，给出了4 h s i c 埋沟m o s f e t 的一些基本模型及参数，并与实验结果进 行比较。建立的直流模型将是下面章节对高频小信号特性模拟的基础。 2 1 埋沟1 i o s f e t 的工作机理 本文以4 h s i cn 沟埋沟m o s f e t 为例，图2 1 给出了结构示意图。其中n d 为注入沟道区的施主杂质浓度，n a 为p 型衬底区受主杂质浓度，n + 为源漏注入区。 v g 、v d 、和v s 分别为栅极、漏极以及源极上的外加电位，v b s 为衬源偏置电压。 源极通常接地，因此v b 和v d 也表示栅源、漏源电位差。 图2 14 h - s i c 埋沟m o s f e t 的结构不意图 根据所加栅压和漏压的不同，器件表面可以处于不同的状态：表面积累，表 面耗尽、表面反型以及其他混合状态。而根据表面状态的不同，器件可以在几种 不同的模式下工作： ( 1 ) 表面沟道工作模式 当表面处于完全积累或平带状态时，即所加栅压满足：珞一 ，品时，器件 工作在表面沟道模式( 图2 2 ( a ) ) 。在这个工作模式下，不仅体内载流子参与导电， 表面积累层载流子也参与导电。嚅为由固定氧化层电荷、界面态电荷以及金属 半导体功函数差所导致的平带电压；这里忽略漏区串联电阻，即为漏端电压。 在该模式下，栅电容等于氧化层电容c 。，漏电流的计算表达式为i 硼： 第二章4 h - s i c 埋沟m o s f e t 的基本模型和器件特性 ! 厶= 张。忙吩一别 一詈孵 c 圪，+ + ，驴一c 圪，+ ，驴 q 。1 ( 2 ) 表面沟道埋沟混合工作模式 当表面处于部分积累部分耗尽混合状态时，即当k 圪一 时，器件工 作在表面沟道埋沟混合模式( 图2 2 ( b ) ) 。其中k 为源端电位，同样忽略源区串联 电阻。假设沟道中y 点处表面为平带状态，即有一矿席= 矿( y ) ，则积累发生在源 端到y 点之间，这一段为表面沟道模式，而y 点到漏端表面耗尽，这一段为埋沟 模式。 ， 当器件工作在该模式下时，从源端到矿( y ) = 一矿用的区域内，表面处于积累 状态，在这段区域内的，单位面积的栅电容为c 。；而从矿o ，) = 一矿船到漏端 矿) = v o 的区域内，表面处于耗尽状态，如果用f 来表示这段耗尽区域内单位面 积的平均栅电容。总的栅电容应是c 。和f 的并联( 关于埋沟m o s 结构电容的概 念详见参考文献【2 8 ) 。则该模式下的漏极电流和f 的计算表达式分别为1 2 8 】： 如= 芋刀。 弼葺+ 寻c ：( 一) 2 吾e ( 一嚆一) 2 ： ： 、 ( 2 2 ) r 。一 、p ， 一詈精 ( ，一p 淼+ ) 3 2 一( 一p 淼) 非 ：。曼c 0 9 。陆一唁- v ( y ) d f 一等 1 一膨一碥一玎“一3 1 一州一墙一) r + 2 ( 2 3 ) e ：鱼 ：3 丛：生 ： ：! ：1 2 ”一7 i 屹一略一v o , ) d v一；( 一+ 嚅) 2 ( 3 ) 埋沟模式 当栅压进一步减小，使半导体表面完全处于耗尽状态时，即满足一p k 1 时放大器无条件稳定；当i k i 1 时，调节放大器信号源阻抗和负载阻抗，其功率降随之而变化。当双 端口网路达到共轭匹配时，功率增益达到最大值。此时的增益称为最大可利用功 率增益。m a g 用y 参数表示为： 坚4 h - s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 捌g ：吲善 】1 2 l k + 足z 一1 f 3 8 ) ( 5 ) 最大稳定功率增益 当i k l 1 时，f e t 放大器只有在一定条件下才稳定，在一定条件下能达到的最 大功率增益，称为最大稳定功率增益。m s g 用y 参数表示为： 脚2 剧 、 b 9 、 其中，由输出短路电流增益h 2 l 和最大单向化功率增益u 分别提取的截止频 率f r 和最高振荡频率f m 。，通常用来衡量一个电路的工作频率。 3 24 h s i c 埋沟m o s f e t 与常规m o s f e t 的增益对比 本节将利用上一节介绍的方法，通过m e d i c i 模拟，获得4 h s i c 埋沟m o s f e t 和常规m o s f e t 的高频小信号参量( y 参数形式) 。并用y 参数分别计算输出电 流增益h 2 l 和最大单向化功率增益u 。 3 2 14 h - s i c 埋沟m o s f e t 的y 参数 对2 3 节所述结构用m e d i c i 在直流偏置v g s = 5 v v d s = 1 5 v 进行高频交流小信 号模拟( 这里仅考虑界面态，不考虑源漏串联电阻) 。模拟得到的高频交流小信号 参量y 参数如图3 2 所示。 一目藿)(|l誊一_ifn-譬e 第三章4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究堡 图3 2 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的y 参数 从图中可以看出，4 h s i c 埋沟m o s f e t 本征y l l 随着频率的增加而增加，也就 是说输入阻抗随着频率的增加而减小。y 2 2 表示交流本征漏导( 或输出导纳) ，它反 应了漏极电压对漏极电流的控制作用。随着频率的增加，y 2 2 也随之增大。而表示 漏极电压对栅极电流控制作用的y 1 2 却是相反的趋势，它随频率的升高而减小，表 明漏极电压对栅极电流的控制作用随频率的升高而变弱。而y 2 l 表示交流本征栅跨 导，它表示橱电压对器件电流的控制作用。从图中可以看出，y 2 l 随着频率的增加 丽下降。 3 2 ，24 h - s i c 埋沟m o s f e t 和常规m o s f e t 的对比 用以上所得到的参数来计算4 h s i c 埋沟m o s f e t 的输出短路电流增益h 2 1 ， 最大单向化功率增益u 。在模拟时选择了相同结构参数的常规m o s f e t 进行对比。 因为埋沟m o s f e t 的目的就是为了减小界面态的影响，因此模拟时还加入了 5 1 0 1 1 c m - 2 e v - 1 的界面态，直流偏置为v o s = 5 v ，v d s - 7 - 1 5 v 。 f r e q 州) ( a ) 增益 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 。一v ) ( b ) 场效应迁移率 图3 3 埋沟与常规m o s f e t 的对比 从图3 3 ( a ) 可以看出，相同频率下，埋沟m o s f e t 的h 2 l 和u 都高于常规 m o s f e t ，而由h 2 l 和u 的延长线与0 d b 的交点分别可以得到截止频率f t 和最高 振荡频率。对于所模拟的沟长3 m 的器件，得到埋沟m o s f e t 的f t 为7 0 0 m h z ， 。约为6 g h z ；而常规器件的f r 和f m 。分别为7 0 m h z ，2 g h z 。显然埋沟的f r 和 f m 。都远远高于常规结构，在高频应用中显示了明显的优越性。图3 3 ( b ) 是从这两 种器件在低漏压下的跨导计算得出的场效应迁移率【捌，可以得到埋沟m o s f e t 的 最高场效应迁移率为8 6 c m 2 v s ，而常规m o s f e t 的迁移率仅为4 1 c m 2 v s 。这是由 于埋沟m o s f e t 的导电沟道大部分位子体内，因而它受s i c s i 0 2 界面的界面态影 响较小；常规m o s f e t 的导电沟道完全是由表面反型层形成，界面态使迁移率大 大降低，严重影响该器件的特性。 3 3 本章小结 本章介绍了小信号正弦稳态分析方法和如何用获得的y 参数表示器件的高频 增益。接着用m e d i c l 分析了相同结构参数的4 h s i c 埋沟m o s f e t 和常规 m o s f e t 的高频小信号特性，分别用y 参数计算得到小信号电流增益和单向化功 率增益。从两者的对比得到，埋沟m o s f e t 具有更高的迁移率，截止频率和最高 振荡频率，因此在高频应用领域具有明显的优越性。 一宴5一哥饕四避嵌媾 第四章影响4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率f t 的分析 第四章影响4 h - s i c 埋沟m o s f e t 截止频率岛的分析 截止频率矗是共源电路短路下的电流增益为l 时对应的频率。晶体管的工作频 率往往是截止频率的十分之一，因此f i 是晶体管速度的一个重要的标准皓”。本章主 要通过对各种情况下的4 h s i c 埋沟m o s f e t 进行高频小信号模拟，并提取它们的 截止频率。然后接合理论公式分析结果和进行定性的解释。 4 1 直流偏置对截止频率f t 的影响 由于考虑到埋沟m o s f e t 在不同的直流偏置下可以工作在不同的模式，本节 将讨论栅极电压和漏极电压对4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率的影响。 4 1 1 栅极电压的影响 在v d s = i s v ，v 0 s = 1 ，3 ，5 ，8 ，i o v 时，分别对栅长为3 1 t m 的4 h - s i c 埋沟 m o s f e t 进行高频小信号模拟，模拟时加入了5 x 1 0 ”册e v 。的界面态，提取的截 止频率如图4 1 所示。从图中可以看出，栅压较低时，截止频率随着栅压的增加迅 速上升，当栅压增大到8 v 后，截止频率几乎不随栅压的增大而上升。根据截止频 率的表达式五= g , , 2 u c s ，可知，截止频率与跨导和栅电容有关。 ” 图4 1 截止频率与栅压的关系 要想解释这个现象先从不同栅压下的跨导开始。为了便于解释，这里选取了 两个具有代表性的栅压值，分别为v o s = 1 v 和5 v 。图4 2 给出器件内部的耗尽层 边界情况。虚线表示耗尽层边界，从耗尽层边界可以很清楚地看出器件导电沟道 丝4 h - s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 的位置。当v g s = l v 时，导电沟道完全位于体内，器件工作于埋沟，夹断模式。这 时候载流子远离界面，迁移率不受s i 0 2 s i c 界面影响。当v a s = 5 v 时，器件二作 于表面沟道埋沟混合工作模式，此时，界面处载流子的迁移率受界面态和高场的 影响很大，器件的平均迁移率降低。随着栅压的进一步加大，越来越多的电子将 会聚集到表面，平均迁移率将会大大降低。平均迁移率与栅压的关系可以用下式 表示1 2 8 1 。 厄2 l + o 上( v l g - 一v o ( 4 - 1 ) 式中，露。为表面沟道区低场平均迁移率，在计算中，取栅压等于阈值电压时 的有效迁移率。0 为迁移率场相关调制因子，单位为1 ，它反应了迁移率随着 的变化而变化的幅度。平均迁移率随着栅压的变化如图4 3 所示。图中是计算得出 的平均迁移率和实验提取的有效迁移率( 点线) 随栅压的变化关系。可以看出平 均迁移率随栅压增大而减小。一般情况下，迁移率为恒定值时，饱和区的跨导随 栅压的加大线性增大。而迁移率的减小使跨导的增大缓慢，跨导与栅压的关系见 图4 4 。 d i 岫咐“i ， ( a ) v g s = i v( b ) v g s = 5 v 图4 2 不同栅压下的耗尽层边界图 图4 3 迁移率随栅压的变化关系 第四章影响4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率弁的分析 图4 4 跨导与栅压的关系 另外一个影响截止频率的因素是栅电容。不同的栅压下，栅电容也是不一样 的。对于埋沟m o s 结构，在埋沟模式下，栅电容由栅氧化层电容和半导体表面的 耗尽层电容串联组成。而表面沟道模式下，栅电容近似等于栅氧化层电容。也就 是说，在所讨论的栅压范围内，栅电容随着栅压增大而略微增大。 由以上的分析得出，随着栅压的增大，一方面跨导增大，另一方面栅电容也 略微增大，截止频率由这两个因素调制决定。对比图4 1 和图4 4 发现，截止频率 与跨导的变化曲线非常相像，可以推知，跨导对截止频率的影响起决定作用。栅 压较低时，跨导的迅速上升使截止频率随着栅压的增加迅速上升，当栅压增大到 8 v 时，由于跨导上升缓慢，导致截止频率随栅压的增大变化不大。 4 1 2 漏极电压的影响 图4 5 是v o s = 5 v 时，仅改变漏极电压所提取的截止频率。由于考虑到要使器 件处于饱和状态，所选的漏压较大。从图中看出，截止频率随着漏极电压的增大 略微上升。可见，漏压对截止频率的影响比栅压的影响要小得多。截止频率略微 增大，很可能是由于漏压的增大使沟道中的夹断点向源极移动，导致栅电容减小 引起的。 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 v 罅( v ) 图4 5 漏极电压对截止频率的影响 4 2 结构参数对4 h - s i c 埋沟m o s f e t 截止频率f t 的影响 本节主要考虑结构参数对4 h - s i c 埋沟m o s f e t 截止频率的影响。对于4 h - s i c 埋沟m o s f e t ，必须考虑的因素包括栅极材料的选择，栅长l g ，栅氧化层厚度d ， 沟道深度x i ，另外沟道掺杂浓度n d 和衬底掺杂浓度n a 也会直接影响器件的性能。 本节的模拟选择了理想状态，即模拟中不考虑源漏串联电阻和界面态。为了便于 对比，研究中所加的直流偏置均为v a s = 5 v ，v d s = 1 5 v 。另外，在选择参数时还 分析了各参数取值时必须考虑的制约因素。 4 2 1 栅极设计 对于埋沟m o s f e t 栅极的设计，需要考虑栅极材料的选择，栅氧厚度，还要 尽量减小栅极对源漏区的覆盖。这些因素不仅影响器件的阈值电压，还会直接影 响器件的工作频率。 ( 1 ) 栅极材料的考虑 一般情况下m o s f e t 根据阈值电压的大小可以分为增强型器件和耗尽型器 件。埋沟m o s f e t 的阈值电压的表达式为式( 4 2 ) 式嗍： 略2 嚅一q ( 去+ 乏 + 皓+ 乏 ( 弛啦( 彘 t 屹一，厂一( 番爵 c 一。蚴 吃；一孕一q q ，“( v s o ) + 缸( 4 - 3 ) 其中，q ，为固定氧化层电荷密度， 讦乙和形分别为金属和半导体的功函数。 缸为金半功函数差，- - ( w 一形) 向， g ( ) 为界面态电荷密度。q j = q n , x ；， 第四章影响4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率矗的分析箜 c i2 s , s o x , 。 可见，决定器件阂值电压的一个关键因素是栅极材料的类型。对于n 沟s i 埋沟 m o s f e t ，一般认为，要想制作耗尽型器件采用n 型多晶硅栅( w m = 4 1 5 ) ，增强型 器件一般为p 型多晶硅( w m = 5 2 5 ) 。理论上要使埋沟器件成为增强性器件，应该尽 可能选功函数比较大的栅极材料。如图4 6 是分别采用p 型多晶硅栅和铝栅的4 h - s i c 埋沟m o s f e t 的转移特性。从转移特性曲线看出，由于p 型多晶硅比铝( w m = 4 2 8 ) 有更大的金属功函数，因此相应的器件有更大的阈值电压。一般应用于射频微波 电路中的m o s f e t 的栅极都需要有较小的栅电阻。通常减小栅电阻的方法有：在 多晶硅上淀积硅化物、多晶硅栅的顶部用金属、用小的指宽的多指栅等等口”。 图4 6 采用不同栅极材料的器件的转移特性 ( 2 ) 栅氧化层厚度d 栅氧化层厚度直接影响器件的栅电极对半导体表面状态的控制灵敏度，因此 器件特性与氧化层有很大的关系。 2 缸1 0 2 缸1 0 2 矿 1 m 矿 1 点1 矿 1 q o c _ l 矿 1 ，2 n 一 1 m b m 一 6 m a 图4 7 栅氧化层厚度对截止频率f t 的影响 图4 7 只改变栅氧化层厚度，其余参数值都不变的情况下提取的弁。可以看出 随着栅氧化层厚度的增加，特征频率弁有稍许的增加。形成这种现象的原因是： 4 h s i c 埋沟m o s f e t 的高频小信号特性研究 随着栅极氧化层厚度的增加，栅对沟道的控制能力越来越弱，会使跨导减小；另 一方面，栅氧厚度增加氧化层电容减小，使栅电容减小。因此由截止频率的公式 矗= g可知，fr的变化取决于跨导与栅电容的竞争关系。o,2xc。 ( 3 ) 栅极对源漏区的覆盖 此外，还需考虑的是栅极对源漏区的覆盖。对于s i cm o s f e t ，由于源漏离 子注入杂质需要高温激活，决定了其器件和电路的研制不能采用硅栅自对准工艺。 这就势必会带来栅极与源漏区的覆盖问题。 常规m o s f e t 器件的栅源栅漏交叠会引起寄生电容，这个电容使栅电容增大， 从而直接影响m o s f e t 的频率特性。对于埋沟m o s f e t 也同样存在这个问题。那 么这个交叠对截止频率f t 的影响到底有多大呢? 下面将分别计算栅极对源漏区的 覆盖尺寸为0 5 p m 和o 9 “m 的埋沟m o s f e t 的电流增益。 图4 8 栅源交叠对电流增益的影响 从图4 8 看出，栅极对源漏区的覆盖严重影响了共源短路电流增益h 2 1 ，由电流 增益延长线可知，通过减小橱源栅漏交叠，特征频率f t 可以由o 6 g h z 改善到1 g h z 左右。因此制作器件时应尽量减小栅源栅漏交叠尺寸。 4 2 2 栅长l g 栅长是场效应器件最重要的特性参数之一，它对其中的载流子的输运行为有 很大的影响，栅长对埋沟m o s f e t 的i v 特性影响很大，栅长缩短，电流增大， 也就是说栅长缩短可以有效地提高电流的载荷能力，从而提高器件的输出功率， 另外对于集成电路来说，缩短栅长可以提高集成度，提高工作速度和降低功耗， 因此人们一直在探索在确保器件的其他性能的前提下缩短栅长的途径，事实上s i 场效应器件的栅长己经经历了由数十微米、数微米、亚微米、到深亚微米，正在 向纳米尺寸迈进。随着栅长的进一步缩短，将会使短沟道效应变得突出起来。埋 第四章影响4 h s i c 埋沟m o s f e t 截止频率弁的分析 沟器件也有其特有的短沟道效应，短沟时由于源漏区的多子向沟道区的溢出，衬 底电荷共享效应都会加剧埋沟m o s f e t 的短沟道效应。关于器件的短沟道效应详 见参考文献 3 9 。栅长不仅对m o s f e t 的静态特性有很大的影响，对高频特性也 有很大的影响，它主要影响载流子在栅下的渡越时间。 保持其他参数不变，仅改