（微电子学与固体电子学专业论文）soi+sige+hdtmos器件及电路研究.pdf

论文摘要+ 随着信息技术的不断进步，高速信息处理和移动通信成为时代的迫切要求。 微电子业顺应形势，正在加紧研发高速低功耗集成电路。其中一种思路是丌发与 传统的成熟硅c m o s 相兼容的技术来达到这个目的，这样不仅降低成本，亦缩短 研发时间。 上世纪末，涌现出了许多这样的技术。其中s o l 技术、s i g e 技术和动态阈 值技术( d t m o s ) 成为研究热点。令人欣喜的是，这三种技术不仅工艺完全兼容， 而且互益。本文就是对综合这三种技术的应用于0 7 v 以下的s o is i g eh d 7 i m o s ( 异质结d t m o s ) 器件和电路作理论和实验研究。 本文利用s i v a c o 的工艺和器件模拟软件，对s o ls i g eh d t m o s 作了完整的 理论研究。首先，分析了d t m o s 的工作原理，介绍了d t m o s 的静态、动态和功耗 模型。而后，深入探讨s i g e 层的引八对p 管的性能的提高，表明驱动电流提高 了一倍以上，随后阐述了重要参数的变化规律；研究指出，s i g e 层对n 管的影 响近可忽略。综合此二点，通过改造d t m o s 模型，得到了s o ls i g eh d 3 m o s 的普 遍模型。最后，借所得的模拟结果的分析，首次提出了s o is i o eh d t m o s 的准双 栅近似，从而给出了相应的i v 方程，其结果与模拟结果相一致。 为了验证s o ls i g eh d t m o s 在电路中的优异性能，我们选择了两个典型的电 路：环形振荡器和传输门逻辑。s p i c e 模拟结果表明，振荡器的频率提高了3 0 以上，逻辑传输延迟缩小了近5 0 。 本文利用s i v a c o 的模拟结果，优化了器件的关键工艺参数，改进了器件和 电路的光刻版图。利用u h v c v d 锗硅外延工艺和c m o s 流水工艺在s o i 衬底上制 作出了s o is i g eh d t m o s 单管，电路则正在研制中。 这些研究表明，s o is i g eh d t m o l s 具有如下特点：开态漏极电流大，跨导 高：亚阈值好，其斜率接近理论极限值；小的短沟道效应：小的关态电流；速度 功耗积小。s o is i g eh d t m o s 将是下一代c m o s 集成电路的备选技术之一。本论 文的工作是进一步研究的基础。 关键词：s o lsi g ed t m o sh d t m o sb m h m tc o m s $ 本论文得到国家自然科学基金项目资助( 基金项目批准号：6 9 8 3 6 0 2 0 ) a b s t r a c t 。 w i t ht h ec o n t i n u o u sa c h i e v e m e n t so f t e c h n o l o g y ，p r o c e s s i n ga n dm o b i l ee x c h a n g i n g o ft r e m e n d o u si n f o r m a t i o nh a v eb e e nt h ee x i g e n tr e q u e s t si np r e s e n te r a r e s p o n d i n g t os u c hac a l l i n g ，i n d u s t r yo fm i c r o e l e c t r o n i c si sd e v e l o p i n gh i 曲s p e e db u tl o wp o w e r d i s s i p a t i o ni n t e g r a t e dc i r c u i t s o n ew a y i su s i n gt e c h n o l o g i e sc o m p a t i b l ew i t hm a t u r e d s i l i c o nc o m s p r o c e s s e s ，n o to n l y t od e c r e a s et h ee x p e n s eb u ta l s ot os h o r t e nt h er & d c y c l e b y t h ee n do fl a s tc e n t u r y ，m a n ya p p r o p r i a t et e c h n o l o g i e ss p r a n go u t ，a m o n gw h i c h s o i ，s i g ea n dd y n a m i ct h r e s h o l dm o s ( d t m o s ) b e c a m et h ef o c u s e s e x c i t e d l y ， t h e s et e c h n o l o g i e sa r ec o m p a t i b l ew i t he a c ho t h e ra n dm u t u a l l yb e n e f i c i a l t h i st h e s i s p r e s e n t s t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so ns o is i g eh d t m o s ( h e t e r o d t m o s ) w h i c h c o m b i n e st h e s et h r e et e c h n o l o g i e sa n di sa p p l i e dw i t hap o w e rs u p p l y 1 0 w e rt h a n0 7 v w i t ht h ea i do f p r o c e s sa n dd e v i c es i m u l a t i o nb y s o f tw a r e sf r o ms i v a c o i n c ，t h e p r i n c i p l eo f s o is i g eh d t m o sw a sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d f i r s t l y , t h ep h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so fd t m o s ，s u c ha ss t a t i ca n dd y n a m i co p e r a t i o n s ，p o w e r d i s s i p a t i o n ，a r ep r e s e n t e d f u r t h e r ，w i t ht h ed e t a i l e da n a l y s i so f s t r a i n e ds i g el a y e ri n p c h a n n e lt r a n s i s t o r ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ed r a i nc u r r e n ti si m p r o v e db yo v e r10 0 t h a n t h a t o fg e n e r a ls i l i c o n p c h a n n e l m o s ，t h ec h a n g i n gr u l e so fc r i t i c a le l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa r ep r o p o s e d t h e n i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ee n h a n c e m e n to f o u t p u t c u r r e n t o fn c h a n n e lt r a n s i s t o rd u et ot h es i g el a y e ri sn e g l e c t a b l e a tl a s t ，q u a s id o u b l eg a t e s m o d e lf o rs o is i g eh d t m o si sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e b a s e do nt h i sm o d e l ， t h ei - ve q u a t i o n sa r ed e d u c e d ，t h er e s u l t sc a l c u l a t e df r o mw h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t ht h e s i m u l a t e do n e s t ov e r i f y t h e h i g h p e r f o r m a n c e o f s o is i g eh d t m o s i n c i r c u i t s w es e l e c t t w o t y p i c a lc i r c u i t s ：r i n gv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o ra n dc o m p l e m e n t a r y p a s s - t r a n s i s t o r l o g i c i ti si n d i c a t e db yt h es p i c es i m u l a t i o nt h a tt h em a x i m u mf r e q u e n c yo f o s c i l l a t o ri si m p r o v e da tl e a s tb y3 0 a n dt h et r a n s m i s s i o nd e l a yi sd e c r e a s e d b y5 0 a p p r o x i m a t e l y u t i l i z i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h ec r i t i c a lp m c e s sp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n d t h e l i t h o g r a p h yl a y o u t o ft r a n s i s t o r sa n dc i r c u i t sa r e u p d a t e d t h ea n t i c i p a t e d t r a n s i s t o r sh a v eb e e n g a i n e du s i n gt h eu h v c v de p i t a x ya n dc m o sp r o c e s sb a s e do n s o is u b s t r a t e w h i l et h ec i r c u i t sa r es t i l lu n d e rm a n u f a c t u r e i i a i lt h e s es t u d i e sc o n f i r mt h eb r i l l i a n lf e a t u r e so fs o is i g eh d t m o sf o l l o w e d ： l a r g e ro ns t a t ed r a i nc u r r e n ta n dt r a n s c o n d u c t a n c e ；r a p i ds u b t h r e s h o l ds w i n gw h i c hi s n e a r l y t h et h e o r e t i c a ll i m i t a t i o n v a l u e ；r e p r e s s e d s h o r tc h a n n e le f f e c t sw i t ht h e c o r m e c t i o no f g a t et os u b s t r a t e ；l o w e ro f fs t a t ed r a i nc u r r e n t ；s m a l l e rp o w e r d e l a y p r o d u c t s o is i g eh d t m o sw i l lb eo n eo ft h en o nc l a s s i c a lc o m sa r c h i t e c t u r e sl nt h e c o m i n gn a n o m e t e rr e g i m e t h ew o r kc o n d u c t e di nt h i st h e s i si st h eb a s ef o rm o r e a d v a n c e dr e s e a r c h e sc o n t i n u e d k e y w o r d s ：s 0 1s i g ed t m o sh d t m o sb m h m tc o m s 4 p r o j e c ts u p p o r t e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o6 9 8 3 6 0 2 0 、 i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工t f 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。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储虢形新懿弘系 签字日期：抽年五月0 日 签专日期：功哆年l 月穸 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 世纪之初，应于高速海量信息处理和移动通信的迫切要求，微电子业正在 加紧开发高速低功耗集成电路。 是否依旧采用成熟的硅c m o s 制作电路? 回顾三十年来，c m o s 电路成为i c 工业界的主流，这种成功主要来源于器 件的等比例缩小技术。然而，如今关键尺寸快进入纳米领域，这种提高性能的 方法遇到了诸多困难：纳米尺度的光刻技术，几个纳米厚度的栅氧化层的制 作，栅极的多晶硅耗尽，阈值电压的非等比例缩小性，反型层迁移率恶化，沟 道掺杂的高敏感性，极浅源漏结限制，串联电阻的增加等等。 完善地解决这些困难，要做许多的技术更新，几乎每一项都需投入大量的 人力物力资源。虽然这些问题最终都要得到解决，但是对于现在这样一个具有 过渡性质的阶段而言，我们可以采用另外的思路来相对低成本地获得高速低功 耗电路一那就是探寻与当前成熟的s i c m o s 集成电路相兼容的新的器件结构和 材料。 八十年代以来，人们对此以m o s 为中心作了大量的研究。其中s o i 技术 峨s i g e s i 异质结技术2 1 和动态阈值( d t m o s ) 技术【3 成为关注的热点。不仅如 此，这三种技术有个内在的优势就是它们之间也是完全兼容并互益的。 1 9 9 8 年，天津大学微电子器件课题组决定与清华大学微电子研究所合作将 上述三种技术综合起来，即开发基于s o i 的嵌应变s i g e 层的异质结动态阂值 f h d t m o s ) c m o s 集成电路，从而把它们各自的优点结合起来，而且工艺上它 们完全兼容。 1 9 9 9 年，受到国家自然科学基金资助的“s o i ，s i g e _ ，b i c m o s 集成电路的研 究”项目启动。这是个开创性的工作。它的研究对象将是下一代非经典纳米领 域c m o s 构筑之- - “，图1 一l 是这个研究在c m o s 研究前沿中的位置( 圆框为 工艺手段) 。国外在2 0 0 1 年才见类似研究报道【5 l 。 念于称谓之宜，栅和衬底相连的结构，当它工作于o 7 v 以下，本文称为 d t m o s ，超过o ，7 v 则命为混合模式晶体管( b m h m t ) ，此分划缘由后文论 及。根据s id t m o s 的研究，在栅电压超过o 7 v 以后，d t m o s 集成电路不再 比常规m o s 集成电路具有速度上的优势，特别是在引入s i g e 沟道之后， b m i - i m t 不能很好的体现s i g e 的好处，我们的实验也证实这一点，因此本论文 第一章绪论 只对s o isi g ehd t m o s f e t 做理论和实验研究。本章则对主要三种技术做个 介绍，以资后文共为参引。 研究中的非经典纳米领域c m o s ( 可用薄膜m o s 模型统一) i 麟l s o is i g e 双栅极薄竖直鳍栅 h b m h m t m o sm o s 沟道 m o s ( 设想)m o s fft 插入应变s i g e 沟道层增加减薄沟道沟道 。 l i 分质 右0 厝 长度宽度h * d t m o s l b m h m t隔离硅 ：方向方向 l 底栅 、 j 竖起竖起 t i 1 、 i 栅压掣竺翟| i 栅极衬底相连 s o im o s f e t 图1 - 1 本论文研究所在的位置( 黑框处) 1 2s o i 、s ig e 、d t m o s 技术介绍 1 2 1 s 0 l 技术 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 是在绝缘体上生长薄单晶硅膜的技术。我们知道， 普通硅衬底通常达5 0 0 微米以上，但大多数硅器件都只利用了表面的几个微米 的区域，因此完全可以在s o l 上制作。这种技术在集成电路特别是c m o s 方面 比体硅有更多优势【6 j 。它易于氧化隔离，不需制作阱，消除了闩锁效应，而 且集成密度高。单管质量高：源漏结电容小，易形成浅结，亚阈值斜率较为 陡直、抗软失效能力较强，特别是如果硅膜足够薄，就可以有效的减小短沟道 效应。良好的技术兼容性：利用这种结构可以实现双栅器件( d g 2 第章绪论 m o s f e t ) 和d t m o s 的集成。更大的等比例缩小的潜力：当器件尺寸缩小 时，隐埋氧化层厚度不必随之按比例减小，寄生电容不会增加，这与体硅器件 恰恰相反。在目前v l s i 技术向深亚微米水平发展的情况下，和体硅器件相 比，s o i 器件的寄生电容较小这一优势显得尤为突出，因而相对于体硅电路面 言，s o i 电路可以得到更高的工作速度以及更低的电路功耗。此外，s o i 在抗 单粒子事件( s e u ) 7 、抗y 辐射和抗高温方面有良好的性能，所以$ o i 技术 很早就应用于空削及军事电子领域。 现在，s o i 技术在商界c m o s 超大规模集成存储和逻辑数字电路中已成为 有力的竞争者。这旱以半导体集成电路产业最具代表性的产品中央处理单元 ( c p u ) 为例，展示s o ic m o s 超大规模集成电路所取得的成就。1 9 9 8 年8 月 3 同美国i b m 公司宣布在世界上首次利用s o i 技术成功地研制高速、低功耗、 商可靠性微处理器芯片，成为国际微电子行业令人瞩目的焦点。与体硅c m o s 技术相比，s o i 技术使芯片的综合性能提高了3 5 。2 0 0 0 年1 1 月，c p u 行业 的霸主美国i n t e l 公司公开了有关采用s o i 技术制造的6 4 b i t a l u 的情况 ：当采用s o i 技术，以o 1 8 岍c m o s 工艺实现时，产品性能提高1 9 ；当 特征尺寸降至0 1 3 9 m ，性能提高1 6 。c p u 行业的另一巨头a m d 公司已经丌 始采用s o i 技术0 1 3 哪工艺制造微处理器【1 1 】，其性能较体硅有2 0 3 0 的提 高，而且采用s o i 技术的a t h l o n4 核心尺寸仅为同样采用0 1 3 9 m 奔腾 4 n o r t h w o o d 的7 0 。 目前，工业界已经发展了许多种在绝缘体上生长单晶硅膜的技术【8 】。其中 些技术是以外延生长为基础的，硅外延层或者生长在覆盖硅片的绝缘层上 ( 同质外延技术) ，或者生长在单晶绝缘体上( 异质外延技术) ；另一些技术 是通过熔融薄硅层的再结晶获得单晶硅；还有一些技术是利用特殊的处理方法 把薄硅层从体硅中隔离出来，如利用离子束合成在硅中形成绝缘埋层的s i m o x 及利用等离子沉浸离子注入( p i ) 技术的s p i m o x 9 j 等；通过把一薄硅片键合到 绝缘体或机械衬底上( 硅片键合技术) ，然后腐蚀减薄也能够得到s o i 材料； 一种新兴的称为离子切割( i o n c u t ) 技术适合于制作大批量s o l 材料。目前， 硅片键合，s i m o x 和区熔再结晶( z m r ) 形成的s o i 材料已作为商品出售， 材料制造商所提供的s o i 基片在膜厚度，颗粒密度，缺陷密度和沾污程度等方 面的技术指标能够满足应用要求。 工业界已经为s o i 部分耗尽m o s f e t 作了深入研究，建立了精确的器件模 型【”】。不仅如此，人们在非常宽广的领域内开展了新型s o i 器件的研究 ”。其 中一部分新型结构是从原有的体硅器件结构发展过来的，如横向s o i c o m f e t 、高压横向m o s f e t 、横向p i n 二极管、微波m o s f e t 和j f e t 等。 第一章绪论 除d t m o s 、双栅m o s f e t 之外还有许多新型结构采用体硅技术是无法实现 的，例如不定向工作双极型绝缘棚横向晶体管( l u b i s t o r ) 、光调制器等。 除了传统的二维集成电路，s o l 晶体管还可以作为制造三维集成电路的基本构 成单元，目前该领域尚处于探索阶段【i 。 当然s o i 也有它的问题，突出的一个是自热效应( s h e ) 1 1 4 。这是因为掩埋 氧化层不利于器件散热所致。它会提高晶格温度，从而损害器件的性能，比如 迁移率和阈值电压下降，负微分电导。因此在实际的设计和模型建立中是必须 加以考虑的。 1 2 2s i g e 材料m 和s i s i g e 异质结构 对于硅m o s f e t ，空穴迁移率通常仅为电子迁移率的l 3 至l 2 。因此在 c m o s 应用中，为了保持电路性能的对称性，通常加大p 沟管栅宽，其面积一 般是n 沟管的2 3 倍，影响了集成度。由故，人们试图采用s i g e 材料来提高p 沟管的驱动能力”“。 1 g e 和s i 是同族元素，有相同的金刚石晶格结构和相似的能带结构，但是 g e 比s i 有更高的迁移率和较小的禁带宽度，然而它的温度特性不好，制作的 器件性能稳定性差，所以人们对s i g e 材料怀有很大的兴趣，希望能够综合它们 各自的优点。幸运的是，人们发现g e 能够以任意比与s i 互溶，形成s i i 。g e x 晶 体，从而在晶格常数和能带结构方面获得很大的选择自由度。 在室温下，无应变s i i x g e 。晶体仍为金刚石结构，其晶格常数旺s i g e “) 随g e 摩尔组分呈线性交化即v e n d 定律： 口研= g 尉( 1 一z ) + 口岛石 在浓度达到8 5 之前，无应变s i l - x g e x 晶体的能带结构基本保持s i 晶体能 带的特征；在x = 8 5 左右时，其导带中的l 能谷下降到能谷相齐并继续下 降，成为导带底，能带结构向g e 晶体靠近。在4 2 k 低温下，s i l 。g e 。晶体的禁 带宽度与g e 摩尔组分有如下关系： e i ( z ) = 1 1 1 5 0 4 3 x + 0 0 2 0 6 x 2 0 矿) o x o 8 5 最( t ) = 2 0 1 1 2 7 x 0 v ) 0 8 5 x 1 4 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第一章绪论 在实际的应用中s i g e 往往与s i 组成异质结构。由于s i 、g e 之间存在4 2 的晶格失配，导致s i l - x g e 。晶体与s i 晶体之间也存在一定的晶格失配，其失配 率厂与g e 组分的关系为 厂：竺竺竺：0 0 4 2 z( 1 4 ) 。c s 这种失配的结果是无论在s i 衬底上生长s i g e 或者在s i g e 衬底上生长s i 都存在 两种生长方式【1 8 】，如图1 2 所示：( 1 ) 基于衬底晶格常数，通过失配应力自相 调节的共度生长。( 2 ) 通过错位弥补失配的驰豫生长。 图1 2 两种不同的外延层生长方式 驰豫生长 共度生长 对于制作器件来说，我们应该采用共度生长模式，从而生长的薄膜晶体层 是具有应变的假同晶( p s e u d o m o r p h ) ，其面内( i n - p l a n e ) 晶格常数近似为： 6 k s i g e 矗+ 幽强 锄1 “8 瓦i i _ ( 1 5 ) 其中而强分别表示s i g e ，s i 层厚度。这里以外延s i g e 为例( 即 t s i c 。 a e c ( x ) ，一般a e c ( x ) 不超过o 0 2 e v 。随x 的增加4 e 如) 越来越 大，而a e c ( x ) 趋近于零，结果形成空穴势阱。它对空穴进行集中，有利于p m o s f e t ；这个势垒提高了n - s i p s i g e n s i 三极管发射极的注入效率，从而 可以提高掺杂浓度而减小基极电阻，这有利于h b t 26 1 ，它己成熟应用于 b i c m o s 电路中。进一步的研究是采用适当的g e 的分布来继续提高器件工作速 度。 i i 类对准 4 县0 ) = a e ，0 ) - a e c ) ( 1 - l o ) 在这种情况下，在应变s i 层中形成电子势阱，在驰豫s i g e 层中形成空穴势 阱。这就使得电子和空穴分离，提高了各自的迁移率，因此同时有利于p 沟和 n 沟m o s f e t 。 i 类和i i 类都可以制作出s c h o t t k e y 接触的m o d f e t 和绝缘介质隔离形式 的m o s f e t 来提高速度，但是创造速度纪录的都是型器件【2 ”。然而从工艺 的角度看，一方面要基于驰豫s i g e 衬底进行集成是困难的，或者说难于与传统 s i 工艺兼容；另一方面，应变s i s i g e 层缺陷密度太高，不满足v l s i 的要求。 所以我们采用i 型制作集成电路以获得成本和性能的折衷。 生长s i g e 假同晶的工艺主要有很多，比如与s i 工艺兼容的脉冲激光诱导 外延法( p l i e ) ，分子束外延法( m b e ) ，超高真空化学气相淀积低温外延 ( u h v c v d l t e ) 法，快速加热化学气相淀积( r t c v d ) 法，有限反应过程化学气 相淀积法等等。其中u h v c v d 是工业界制备s i g e 的标准技术。为了获得低缺陷 i 类异质结，除了s i g e 层要小于i 豳界厚度之外，要求采用低温工艺【2 8 】， 2 9 。s i g e 合金层生长温度 7 0 0 ，最佳温度5 5 0 ；生长后处理温度 9 5 0 ，最后在 8 0 0 8 5 0 。c 。但是在低温工艺下，栅氧化层稳定性、结漏电流性能下降很多，并 且限制了s i g e 工艺同高k 值栅绝缘层工艺的进一步集成。另一个问题是s i g e 应变层在氧化气氛中生成纯s i 0 ：或s i 如和g 0 0 ；( x = l 一2 ) 混合物，在s i g e 氧 化层界面有g e 堆积。这个问题可以通过在s i g e 应变层上淀积一层薄的s i 覆盖 层作为栅氧化时的牺牲层来解决，但是对该结构施加高栅压时，在栅氧化层下 方将产生两条沟道，并且总的输出电流应避免主要在迁移率较低的s i 沟道。这 在工艺制备中，对m o s 管的s i 覆盖层厚度和栅氧厚度提出了更为苛刻的要求。 目前有许多人在研究制各s i g e 合金的新工艺，希望能够得到热稳定性较好的 s i g e 合金层：也有人在做赢接在s i g e 合金层上长氧化层的研究工作2 l ， 3 0 ， 3 1 】。 第一章绪论 综合起来，我们在m o s f e t 中应用i 类异质结的结构应该是s i 覆盖层应变 s i g e s i 。这种结构特别适合于p 沟道管子，为了实现s i g ec m o s 电路，出于 降低工艺难度的考虑我们将n 沟道管子也做成这种结构同时保持n 管原有的性 能。 1 2 3 动态阈值m o s ( d t m o s ) 和混合模式晶体管( b m h m t ) c m o s 技术因为电路静态功耗低、集成度高而在现在微电子工业中占据主 要地位，而双极晶体管( b j t ) 由于能够提供较大的电流驱动能力、较快的速 度和低噪声特性而在某些场合发挥着巨大的作用。如果能把这两种技术集成到 同一芯片上，则可以使数字模拟系统在速度和功耗之间较好地进行协调，从而 获得更为优良的性能。一般b i c m o s 技术利用纵向双极晶体管和m o s f e t 相 结合，但是m o s 工艺与b j t 工艺存在匹配问题。 过去的十余年里数字电路系统功耗的减小和性能的提高是通过缩小器件尺 寸实现的。但是电源电压小于3 v t 就会损害工作速度，因为工作速度和v v d d 比值有如下简单的关系： 南：q ! 堕三垡2 二堡! 坠三竺2 。鱼些 儿r 艮( 妇一所) 所以v t 也应该减小，但这被影响功率的关断电流所限制。为了解决这个矛盾， 人们引入了另一种b i c o m s 结构形式：即m o s f e t 的沟道区衬底电极不再浮 空或接地，而是与栅直接相连，这种结构不会增加任何额外的工艺复杂度。 对于这种结构，& l h a r t 等人在1 9 7 5 年提出混合模式( h y b r i d m o d e ) 的 概念，并对p m o s f e t 进行了讨论【3 ”。他们认为：这种器件相当于由表层的 p m o s f e t 和沟道底部的横向p n p 三极管互不影响、彼此独立的并联所组成。 深入地研究发现口”，他们是相互影响并相互受益的一这被称为共益现象。在这 种情况下，要使三极管贡献电流，栅压就得超过o 7 v ，这时候，这种结构被称 为双极场效应混合模式晶体管；( b m h m t ) t 3 4 5 1 。问题是，这时候直流栅极电流 就不能再被忽略。 1 9 9 4 年，f a r i b o r za s s a d e r a g h i 等人从理论和实验上研究了这种结构工作在 低于o 7 v 的情况p l 。结果表明，它的驱动电流仍然有很大提高，从而特别适合 于低电压快速电路中。他们把它称为动态闽值场效应晶体管( d t m o s f e t ) ，即 这种m o s f e t 的闽值电压随着栅压的增大而减小，从而导致漏电流的增高，但 f ；增加关态电流。此后d t m o s 得到很多的研究，各种实验型的应用电路也被 第一章绪论 开发出来。比如，用d t m o s 传输们构成的全加器已经被研制出来，性能优良 的r f 器件也被研制出来( 0 0 8 um 栅长，0 6 5 v 工作，疗达到1 4 0 g h z ) 。它被认 为是一种极有潜力的c m o s 器件。 1 3 本文研究内容及主要创新点 1 3 1 研究内容 本课题是国家自然科学基金资助项目：“s o i s i g e b i c m o s 集成电路的研 究”中的一部分。研究内容有：对s o is i g e h d t m o s f e t 作系统的理论研究， 提出器件模型；利用s a c o 软件作计算机模拟，设计出器件工艺参数并进行 优化：设计并优化单管和两种典型电路( 压控振荡器和传输门逻辑电路) 光刻 版图：在清华大学微电子所的实验线流水，制作并测试器件和电路性能。 到目前为止，我们制备出了单管，集成电路由于工艺问题尚未成。综合我 们现有的理论和实验研究成果，s o l s i g e h d t m o s f e t 有如下结论： ( 1 ) 开态漏极电流大，跨导高。因为应变s i g e 空穴迁移率高：m o s 管闽 值电压随栅电压增大而减小。 ( 2 ) 亚阈值好。类似于双栅工作，亚阈值斜率接近理论极限值。 ( 3 ) 小的短沟道效应。沟道衬底与栅相连，消除了体悬浮效应，减弱了漏 诱导的势垒降低效应( d i b l ) 。 ( 4 3 小的关态电流。由于s i g e 与s i 价带的差值，使带有s i g e 埋沟的 h d t m o s f e t 减小了阈值电压，从而可以有更高的沟道掺杂浓度。 ( 5 ) 速度功耗积小。虽然功耗有所增加，但是电路工作速度的增加是主要 的。 1 3 2 主要创新点 ( 1 ) 从d t m o s f e t 出发，对s o ls i g ep - n 。h d t m o s f e t 作系统理论研 究，并利用s i v a c o 数值模拟软件进行模拟，分析其工作原理，首次提出相应 的物理、数学模型。给出h - d t m o s f e t 、d t m o s f e t 和m o s f e t 的区别和联 系，给出如何从d t m o s f e t 模型中获得h d t m o s f e t 般模型。首次提出p h d t m o s f e t 的双栅模型，进而给出p h d t m o s f e t 的i v 方程。最后将方程 推广到n h d t m o s f e t 。 1 0 第一章绪论 ( 2 ) 选择用互补传输门逻辑( c p l ) 构建的与非门电路和双延迟压控振荡器 ( v c o ) 电路作为基于s o ls i g e p n h d t m o s f e t 构建c m o s 电路的例子，用 p s p i c e 对它们进行模拟，并作刑比研究，指出参数优化路径。 ( 3 ) 利用s i v a c o 模拟结果对 s o is i g ep n h d t m o s f e t 进行关键工艺 参数优化；针对先前试验工作中的问题，改进了单管和集成电路版图。用 u h v c v d 外延工艺和c o m s 工艺流水在s o i 衬底上制作出s 0 1s i g e h d t m o s 单管。 第二章s o is i g eh d t m o s f e t 模拟和模型 第二章s o is i g eh d t m o s f e t 模拟和模型 s 0 1si g eh d t m o s f e t 综合了d t m o s f e t 和s i g em o s f e t 结构，比较 复杂，有许多种研究方法，如图2 1 所示。为方便起见，本文从d t m o s f e t 出 发来研究，因为s i g e n h d t m o s 与n d t m o s f e t 基本没有区别，而s i g e p h d t m o s f e t 则需对某些参数作修正。 s i g ep - h d t m o s s i g en - h d t m o s i v 相互 参照引 用 v t 表 述为 v g 的 函数 d g m o s f e t lm o s f e t s i g e p。 1 u ，v t 修正 栅控电容修正 引入增强因子 f 描述沟道集 中效应) 直接引用 各种结论 p - n _ d t m o s f e t 图2 - 1s i g eh d t m o s f e t 理论研究方法 2 1s 0 ld t m o s f e t 2 11s o id t m o s f e t 原理 图2 - 2 栅衬短接时s o ld t m o s f e t 的剖面示意图 第二章s o is i g eh d t m o s f e t 模拟和模型 通过把s o ip d m o s f e t 的衬底和栅连接在一起，可以获得动态闽值电压 m o s f e t ( d t m o s ) 3 6 】。为讨论方便，我们把体接地模式记为b t m o s 。图2 2 为栅衬短接s o ip d n m o s f e t 的剖面示意图。 囊。卿戳蔫氛v 拯v 图2 2s o i d t m o s f e t 阂值电) 压( t h r e s h o l d v o l t a g e ) 与体一源正向偏压( b o d y b i a s ) 的关系，t e c h n o l o g y a 和b 是指制备s 0 1m o s f e t 的两种方法， 器件为四端器件 在d t m o s 中，衬底偏压满足0 v b s o 6 v ，在这种情况下，衬源p n 结尚 未正向导通，同时由于体电位的升高使得阈值电压降低。图2 2 体现了这种情 形。该图中，v 。代表衬底偏压为零时的阈值电压 v t o = 2 中s + v f b 4 一4 2 g , q n 了a ( 2 一d d s ) ( 2 - 1 ) l “ 式2 - 1 中v f b 为平带电压，2c d b 为反型层体电势，e 。为硅的介电常数，q 为电子电量，n a 为沟道掺杂浓度，c o 。为栅氧化层电容。考虑衬底偏压v b s 的 影响时，阈值电压v 。可表示为： k = _ 2 0 口+ ，7 b + r 2 口一 么 ( 2 - 2 ) 在这累，r = 2 s 。州4 c 。d t m o s 的工作点参见图2 - 2 中的直线v g 。 = v b 。v 。f 表示衬底偏压( 栅压) 等于阙值电压的那点。当v 。小于v 。f 时， d t m o s 处于亚闽值区，令上式中v b s = v t ，可得 第二章s o is i g eh d t m o s f e t 模拟和模型 v t f = 2 巾b + 附警( 罱一， p ， g a t ev o l t a g e ( v 图2 3s o in m o s f e t 和p m o s f e t 工作