（微电子学与固体电子学专业论文）深亚微米全耗尽soi+cmos的高温应用分析.pdf

摘要 论文题目：深亚微米全耗尽s o ic m o s 高温应用分析 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：巩鹏亮 指导教师：高勇 杨媛 教授 副教授 摘要 签名：碰丝 签名：垒复 签名：衄 s o i 器件由于具有寄生电容小、易形成浅结、可以避免闩锁效应、良好的电学特性等 优点，成为深亚微米工艺中极具潜力的一种技术。但是传统s o i 器件的埋氧层热导率很低， 所以s 0 1 电路工作时器件沟道区产生的热量难以耗散出去，造成热量在沟道区积聚，引起 饱和电流减小、阈值电压漂移等问题。因此深入分析s o l 器件内部热效应的产生机理和 积聚位置，并提出解决自加热效应的有效方法，成为目前s o l 技术在高温领域应用的研究 热点。本文针对深亚微米s o ic m o s 器件在高温环境的应用，在模型建立，自热效应分析 与解决自热效应的器件结构比较等几个方面进行深入研究。 基于l o o n mf d ( f u l l yd e p l e t e d ) s o ic m o s 工艺，使用器件模拟软件i s et c a d ，建立 符合深亚微米要求的s 0 1c m o s 反相器的单管器件结构模型，并针对深亚微米器件的各种 二级效应选取相应物理模型，同时对i s et c a d 软件中默认的氮化铝( a i n ) 材料参数进行修 正，使其与实际应用的材料特性相符。使用上述模型对s o ic m o s 反相器的温度特性和电 特性进行模拟，分析结果表明传统s o i 器件在工作时会产生严重的自加热效应，管子输出 特性随温度的升高严重退化，并且泄漏电流随温度升高剧增；热量的产生和聚集均位于漏 沟p n 结处，并且n 管比p 管遭受更严重的自加热效应。为解决传统s o i 器件的自加热效 应，分别建立s o a n ( s i l i c o no na l u m i n u mn i t r i d e ) 结构和a i nd s o i ( a i nd r i a na n ds o u r c e o ni n s u l a t o r ) 结构，对上述三种结构的驱动电流和阈值电压稳定性进行比较。分析结果 表明s o a n 器件能够完全消除自加热效应，并且其更能提高器件的驱动能力。对s o a n 结构 器件针对高温应用环境进行结构和工艺参数优化，并根据优化后参数仿真s o a nc m o s 反 相器的瞬态特性。模拟结果显示在环境温度为3 0 0 k 和5 0 0 k 时，s o a nc m o s 门级延迟分别 为1 9 p s 、2 5 5 p s ；而s o ic m o s 的门级延迟在相同的温度下分别为2 8 5 p s 、3 5 5 p s 。最后 提出了一种新型s o l 结构器件a i r a i n s 0 1 器件，并与s o a n 器件和传统s o i 器件针 对电特性和热特性进行比较，并给出了实现工艺。模拟结果表明改进后的a i r - a 1 n s o i 器件除能提高电路散热性能消除自加热效应外，还能够消除引入高热导材料后由于d i b l ( d r a i ni n d u c e d b a r r i e rl o w e r ) 和d i v s b ( d r a i ni n d u c e d v i r t u a ls u b s t r a t eb i a s i n g ) 西安理工大学硕士学位论文 效应使器件关态漏电流变大的问题，十分适合高温领域应用。 关键词：全耗尽；深亚微米；s o i ：自加热效应；a 1 n 本研究得到西安应用材料创新基金( 编号：x a a m 2 0 0 5 1 4 ) 的资助 i i a b s tr a c t t i t l e ：t h eh i g ht e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h0 f d e e p s u bm i c r o ns o ic m o sc i r c u i t s m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i ca n ds o l i de l e c t n a m e ：p e n g l i a n gg o n g s u p e r v i s o r ：p r o f y o n gg a o a s s o c i a t ep r o f y u a ny a n g a b s t r a c t t h e s o it e c h n o l o g ye x h i b i t sm a n ya d v a n t a g e so v e rb u l ks i l i c o nt e c h n o l o g y ，s u c ha st h e r e d u c t i o no fp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e s ，e a s yt of o r ms h a l l o wj u n c t i o n ，e l i m i n a t i o no fl a t c h u p ， m u c hb e t t e re l e c t r i c a lc h a r a c t e re ta l ，s ot h a ti ti sap o t e n t i a lt e c h n o l o g yi nt h er e a l mo fd e e p s u b - m i c r o np r o c e s s h o w e v e r , t h eb u r i e dl a y e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f c o n v e n t i o n a ls o id e v i c e i sv e r yl o w , t h e r e f o r et h ejo u l eh e a tg e n e r a t e di nt h ec h a n n e la r e ao ft h ed e v i c ec a nn o tb ee a s i l y d i s s i p a t e d ，w h i c hr e s u l t si nt h eh e a ta c c u m u l a t i o ni nt h ec h a n n e lr e g i o n ，t h i ss e l fh e a t i n ge f f e c t w o u l da r i s e ss o m ep r o b l e m s ，s u c ha ss a t u r a t i o nc u r r e n to ft h ed e v i c el o w e r i n g ，t h r e s h o l d v o l t a g ev ts h i f t i n ge t c t h e r e b y , t h o r o u g h l ya n a l y z i n gt h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n dg a t h e r i n g p o s i t i o no fh e a tg e n e r a t e di ns o id e v i c ea n dt r y i n gt ob r i n gf o r w a r de f f e c t i v es o l v i n gm e t h o d b e c o m er e s e a r c h i n gh o t s p o t so nh i g ht e m p e r a t u r ed o m a i na p p l i c a t i o no fs o it e c h n o l o g y t h e a p p l i c a t i o no fd s ms o it e c h n o l o g yi nh i g ht e m p e r a t u r er e a l mi sm a i n l yc o n c e mi nt h i sp a p e r , a n dp a r t i c u l a ra t t e n t i o ni s p a i do nm o d e lc o n s t r u c t i o n ，a n a l y s i s o fs e l f - h e a t i n ge f f e c ta n d c o m p a r i s o no fs e v e r a ld e v i c es t r u c t u r e st h a tc a nc u r et h es e l fh e a te f f e c t b a s e do nt h e10 0 n mf u l ld e p l e t e ds o ic m o sp r o c e s s ，t h ed e v i c es t r u c t u r e so fn m o sa n d p m o sw h i c hc o m p r i s eas o ic m o si n v e r t e ra r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f d e e ps u bm i c r o nr e a l mb ye m p l o y i n gd e v i c es i m u l a t o ri s et c a d m o r e o v e r , c o r r e s p o n d i n g p h y s i c a lm o d e l sa r es e l e c t e da i m i n ga tr e f l e c t i n gt h ep r o p e rs e c o n do r d e re f f e c t si nd e e ps u b m i c r o nd e v i c e s ，a n dt h ed e f a u l tm a t e r i a lp a r a m e t e r so fa 1 nm a t e r i a li nt h ei s et c a d m a t e r i a ld a t a b a s ea r ea l s om o d i f i e da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tl i t e r a t u r e s t h et h e r m a lp r o p e r t y a n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o ic m o si n v e r t e ra r es i m u l a t e du s i n gt h em o d e l se s t a b l i s h e d a b o v e ，t h er e s u l t sr e v e a lt h a tc o n v e n t i o n a ls o id e v i c ew o u l ds u f f e rs e r i o u ss e l f - h e a t i n ge f f e c t w h e no p e r a t i n g ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sd e g r a d es e v e r e l ya n dt h el e a k a g ec u r r e n ta l s oh a sa s h a r pi n c r e a s ea l o n gw i t ht h er i s i n go fl a t t i c et e m p e r a t u r e ；t h eg e n e r a t i n ga n dg a t h e r i n gp o s i t i o n o fh e a tl o c a t e sa td r a i n c h a n n e lp nj u n c t i o n ，a n dn m o ss u f f e r sm o r e s e r i o u s l yf r o m s e l f - h e a t i n ge f f e c tc o m p a r e dw i t hp m o s i no r d e rt oe l i m i n a t et h es e l f - h e a t i n ge f f e c ti n c o n v e n t i o n a ls o id e v i c e ，t h es o a nd e v i c ea n da l nd s o id e v i c ea r ee s t a b l i s h e d ，t h e v 西安理工大学硕士学位论文 c o m p a r i s o no fo n s t a t ec u r r e n ta n ds t a b i l i t yo ft h r e s h o l dv o l t a g eo ft h ea b o v e 3d e v i c e sf i r ea l s o c o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o w st h a ts o a n ( s i l i c o no na l u m i n u mn i t r i d e ) c a nc o m p l e t e l y e l i m i n a t et h es e l f - h e a t i n ge f f e c t ，a n di tc a l la l s oe l e v a t et h ed r i v i n gc a p a b i l i t yo ft h ed e v i c e s o m eo p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a la n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fs o a nd e v i c ea r ec a r r i e do u ti n a l l u s i o nt oh i g ht e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c e ，a n dt h e i ro p t i m i z e dv a l u e sa r eg a i n e d a c m o si n v e r t e rc o n s i s t e do fo p t i m i z e ds o a nn m o sa n dp m o si sp u tu p ，a n di t st r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i ci ss i m u l a t e d t h es i m u l a t e df i g u r ed e m o n s t r a t e st h a tt h eg a t ep r o p a g a t i o nd e l a yo f s o a nc m o si s1 9 p sa n d2 5 5 p s ，w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s3 0 0 ka n d5 0 0 k ；t h ed e l a y o fi t ss o ic o u n t e r p a r ti s2 8 5 p sa n d3 5 5 p sa tt h et w ot e m p e r a t u r ep o i n t sr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , a n e ws o id e v i c es t r u c t u r e ，a i r _ a i n s o is t r u c t u r ei sb r o u g h tf o r w a r d ，a n di t si m p l e m e n t i n g p r o c e s si sp r o p o s e dt o o t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tn o to n l yt h ea i r _ a i n s o i s t r u c t u r ec a ne n h a n c et h ed i s s i p a t i n gc a p a b i l i t yt oe l i m i n a t es e l f - h e a t i n ge f f e c t ，b u ti tc a na l s o e l i m i n a t et h eo f f - t a t ec u r r e n tr i s i n gp r o b l e mi n v o k e db yd i b l ( d r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w e r ) a n dd i v s b ( d r a i ni n d u c e dv i r t u a ls u b s t r a t eb i a s i n g ) e f f e c ta f t e ri n c l u d i n gi nt h eh i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t ym a t e r i a la 1 n ，t h ea b o v ea l ls i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea i r _ a i n s o id e v i c ei s s u i t a b l ef o rt h eh i g ht e m p e r a t u r ef i e l da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：f u l ld e p l e t e d ；d e e ps u bm i c r o n ；s o i ；s e l f - h e a t i n ge f f e c t ；a i n p r o j e c ts u p p o r t e db yx i a n - a p p l i e dm a t e r i a l si n n o v a t i o nf u n d ( g r a n t n o x a a m - 2 0 0 514 ) v i 独创性声明 、秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 。 个人在导师指导下进行的研究i 作及取得的成果，尽我所知，除特别加以标注和致谢 、 ， 、， 韵地方外，论文中不包含其他人的研究成果。- 与我一同工作的同志对本文所研究的工 ， - 一l 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文侍者签名j 型娅易谚j 譬主月 自 学位论文使用授权声明 ，本人丛塑i 缢客导师的指导下创作完成毕业论文。，本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：，1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的：学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，。适用本授权说明) 论支拓者签名：乎嘞导师签名： y 够年弓月巾 第一章绪论 1 绪论 1 1s 0 1 结构及其分类 s o l ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ，绝缘衬底上的硅) 技术是指在绝缘衬底上形成一层单晶 硅薄膜，或是单晶硅薄膜被绝缘层( 通常是s i 0 2 ) 从支撑的硅衬底中分开而形成的材料结构 【l 圳。这种技术可实现器件有源区与衬底完全隔离，从而消除一般体硅c m o s 器件中衬底 对器件工作时的影响，其材料结构如图1 1 所示。与一般体硅材料制造的c m o s 器件相 比，这种s 0 1 结构的c m o s 器件具有无闩锁、高速、低功耗、集成度高和抗辐射等优点， 因而在便携式电子产品、航天电子、以及低压低功耗等领域受到广泛关注。 黝黝_ a c t i v ea r e a b o xl a y e r s u b s t r a t e 图1 - 1s 0 1 材料结构 f i g 1 1 s o lm a t e r i a ls t r u c t u r e s o l 器件特性与器件的硅膜厚度密切相关。根据绝缘体上硅膜的厚度和硅膜中掺杂浓 度情况将s o l 结构分为薄膜全耗尽f d ( f u l l yd e p l e t e d ) 结构和厚膜部分耗尽( p a r t i a l l y d e p l e t e d ) 结构。划分的主要依据是栅下最大耗尽层宽度x d m 双与顶层硅膜厚度的关系， 图1 2 所示为两种结构器件示意图。对于p ds o l 器件，其顶层硅膜的厚度t s i 2 ) ( d 一，其 中x d m x 为硅膜表面达到强反型时的最大耗尽宽度。这样p ds 0 1 器件的正、背界面的耗 尽层之间互相不会产生影响，在正背栅之间存在中性体区，表现出来的工作特性与体硅器 件类似。p ds 0 1 具有制造工艺简单、阈值电压大、短沟道效应小、驱动电流大等优点， 但其浮体效应和寄生效应比较严重，把其中性体区接地后可用于模拟电路领域；全耗尽 s 0 1 器件的顶层硅膜厚度t s j 要小于最大耗尽宽度) ( d m x ，这样正面电势产生的空间电荷区 与背面电势产生的空间电荷区交叠，硅膜区全部处于耗尽状态，即背界面处于耗尽状态， 其具有低纵向电场、高电流驱动能力、陡直的亚阈值斜率、能抑制短沟道效应等优点，十 分适合大规模集成电路领域的应用。 西量理工大学碰士学位论丈 s a - c e2 刀帅n l s u b s t r a t e ( a ) p df b l f d 图1 - 2p ds o in 1 0 s f e t 希j f l ds o lh m 0 6 f e t 的剖面酗 f i g 1 2c r o s ss c c t i o n o f p d f ds o l n m o s f e t 1 2s o i 技术优点及发展现状 s o i 技术中，器件被制作在顶层硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层b o x ( b u f f e d o x i d e ) 隔开这层隔离使s o i m o s 器件具有许多体硅m o s 器件无法比拟的优 点，尤其是薄膜全耗尽s o lm o s 器件，比传统体硅m o s 器件具有更优越的性能，更适 合于深亚微米下的v l s i 电路，f ds o im o s 器件优点如下： ( 1 ) 电隔离性能好：s 0 1 电路的器件与器件、器件与衬底之间均采用全介质隔离， 隔离性能好，绝缘层( b o x ) 切断了寄生电流通路，从而消除了闩锁效应。 ( 2 ) 结电容小：对于s o i 器件来说由于结区被埋氧层所隔离，消除了结耗尽电容， 从而源漏区只存在侧向电容，由于薄膜f ds o i 中硅膜厚度很薄，所以这个电容很小，使 管子的本征负载电容减小：对于采用s 0 1 和传统体硅器件的o2 5 r a n m o s f e t ，前者的结 电容仅为后者的1 4 - 1 7 。 ( 3 ) 工艺简单：由于在s o i c m o s 电路的制造工艺中减少了阱形成和场区形成等工 艺，s o lc m o s 电路的制造工艺比体硅c m o s 电路简单。与体硅c m o s 电路相比在统 一工艺特征尺寸下，采用s o l 技术可以简化工艺3 0 ，由此降低芯片制造成本3 0 ，并且 由于取消了体硅c m o s 的阱结构，使得器件设计更为紧密。芯片集成度可以更高，从而 提高了s o l 管芯的产出率，进一步降低了芯片成本。 ( 4 ) 短沟道效应不明显：由于源漏结的扩散受到结大小与前后栅控制等的限制，因 此对固电荷分配引起的短沟道效应不敏感。 ( 5 ) 能在低压、低功耗f 工作：由于薄膜s o i 晶体管的亚阖值斜率陡峭，器件的闽 值电压降低，从而增强了器件在低压f 的驱动能力，并且降低了静态漏电流。器件的阈值 电压可以达到03 v 以下，从而町以在电源电压为1 v 时正常工作。这适合于深亚微米工 艺条件下的电路，尤其在6 5 n m 阻下的情况。 ( 6 ) 抗辐射能力强：由于s o l 器件都是全介质隔离，因此其c m o s 电路无闩锁效 应，s o l 期1 剐的源漏结面积都很小，从而有很强的抗瞬时辐射能力。 第一章绪论 ( 7 ) 低的热载流子效应：s o l 器件往往都是低压器件，因此热载流子效应相对较弱； 有实验表明，在相同电压下，全耗尽s o i 器件热载流子引起的阈值电压和跨导的退化程 度要比体硅器件小【5 1 。 ( 8 ) 可在较高温度下工作：在2 4 0 以上高温环境下工作时，由于结泄漏电流的增 加体硅c m o s 电路功能将丧失；而相同工艺条件的s o ic m o s 电路在直至3 0 0 的高温下仍 能正常工作1 6 j 。 另外，s o l 工艺与体硅c m o s 工艺兼容，无需增加新的设备，这使得现有制造设备 能得到充分的利用。 正是由于s o i 技术有上述众多优势，国内外各大公司和科研院所竞相研究开发这项 技术，国内如中科院微电子所、中科院微系统所、中科院半导体所、北京大学微电子研究 所、清华大学微电子研究所以及东南大学微电子所等单位对s 0 1 材料的制备、s 0 1 基电路 的设计、s 0 1 工艺开发以及高温下s 0 1 器件的性能做了深入的研究：国外如美国的 b e r k e l e y 、i b i s 、t i 、m 、a m d 、日本的t o s h i b a 、o k i 等也都开展了s o l 材料、器 件和电路等方面的研究，国内外均取得了重大进展。 在国内，北大微电子所成功研制出了沟道长度为1 o 岬薄膜全耗尽环形振荡器和逻 辑门阵列7 培】，同时深入研究了薄膜全耗尽s o lc m o s 器件模型1 9 - 1 0 1 ；中科院微电子所和 半导体所成功开发出了基于0 8 “m 全耗尽和1 2 9 i n 部分耗尽s o ic m o s 抗辐照工掣1 1 。4 1 ， 并通过工艺投片验证性能良好；清华大学微电子所对图形化d s o i 技术的实现和s o i 技术 的相关工艺进行了一系列研究【1 5 。1 7 】；中科院上海微系统所一直致力于新型s o l 材料和结 构的研究，提出了图形化s o i 技术、非单一s i 0 2 埋层s o i 结构以及新型s o l 埋层等一系 列先进方法【1 8 之0 1 ；此外，东南大学微电子中心对s 0 1 技术在高温领域内的应用【2 1 。2 4 】也做 了深入研究。 国际s o l 市场9 5 的应用集中在8 英寸和1 2 英寸大尺寸薄膜s 0 1 ，其中绝大多数用 户为尖端微电子技术的引导者，如m m 、a m d 等。目前供应商为法国s o i t e c 、日本信越 ( s e h ) 、日本s u m c o ，其中前两家供应了约9 0 的产品。其主要驱动力来自于高速、低 功耗s 0 1 电路，特别是微处理器( c p u ) 应用，技术含量高，附加值大。拥有智能剥离 ( s m a r t c u t ) 技术专利的s o i t e cg r o u p ( e u r o n e x t p a r i s ) 2 0 0 5 年宣布在台北市开设分公司 【2 5 1 ，主要负责中国台湾地区与新加坡晶圆厂的业务支持，以协助晶圆厂加速s o l 技术转 移，为下一代芯片生产做好准备。提供s 0 1 晶圆的另一巨头美国i b i st e c h n o l o g y 公司不 仅制造s 0 1 晶圆，而且生产大束流专用氧离子输入机，该公司使用s i m o x ( s e p a r a t e db y i m p l a n t e do x i d e 注氧隔离) 技术提供大尺寸s o l 晶圆。1 9 9 7 年拥有s o l 技术专利的m m 公司报道了采用亚0 1 p m 的s o lc m o s 工艺制备出无负载单门延迟在室温达7 8 5 p s 、在 液氮温度下达5 5 p s 的反相器电路【26 l ，2 0 0 1 年由美国i b m 公司开发的“p o w e r p c7 5 0 f x 以及6 4 位“p o w e r p c9 7 0 f x ”微处理器和m o t o r o l a 公司研制的“p o w e r p c7 4 5 5 ”微处理 器均采用s 0 1 技术1 27 1 ，2 0 0 2 年m m 实现采用s o lc m o s 技术的0 1 5 0 1 3 u m 微处理器生 西安理工大学硕士学位论文 产，处理器主频高达2 g h z ：2 0 0 4 年m m 与a m d 公司联合开发9 0 n m 工艺制程的应变硅 s o l 技术( s s o i ) ，并把它推广到s o n y 和t o s h i b a 公司的消费电子产品线中，同时i b m 和a m d 公司宣布联合开发s o i4 5 r i m 生产工艺1 2 引。2 0 0 5 年2 月，索尼集团、i b m 和东 芝联合开发的微处理器“c e l l ”的有关工艺技术详情在举行的“2 0 0 5 年国际固体电路会议 ( i s s c c2 0 0 5 ) ”上公布，该处理器采用的栅长4 6 n m 的晶体管应用了s o i 技术和应变硅 技术，电源电压1 1 v 、频率突破4 g h z 2 9 】。2 0 0 5 年7 月，飞利浦公司基于s o l 技术推出 的控制域网络( c a n ) 接收器，具有卓越的e m c 性能，既可提高可靠性又能有效地降低系 统成本【3 0 】。2 0 0 6 年2 月m 公司在国际固态电路会议上公布了其面向服务器的下一代 p o w e r 6 处理器架构，它是一款采用s o l 架构工作于4 g h z 以上的6 5 n m 处理器i j 。2 0 0 6 年1 2 月s o i t e cs a 和a r m 公司签署了合作协议，将s o i t e c 的s o i 技术应用于a r m 的微 处理器，从而让使用a r m 处理器的开发商获得s o i 的性能效益【3 2 1 。2 0 0 7 年6 月联电 ( u m c ) 和a r m 宣布合作使用a r m 的s o l 技术将工艺制程推进至6 5 纳米以满足便 携产品视听需求【3 3 j 。2 0 0 7 年7 月a t m e l 宣布推出其全新的a t a 6 8 3 6 低成本半桥驱动器集 成电路，该电路采用b c d o n s o i 技术【3 4 1 。2 0 0 7 年9 月m 宣布推出针对手机和移动无 线技术市场的全新半导体技术c m o s7 r fs o l 技术，它将为大众带来更加低廉而功能更 加丰富的下一代手机、笔记本电脑和其他便携通信设备【3 5 i 。 近年来，随着s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do + ，注氧隔离) 技术和智能剥离 ( s m a r t c u t ) 技术的相继成熟，s o i 晶圆的成本不断降低并可以进行批量生产，极大的推动 了s o i 技术市场化的进程。另外u cb e r k e l e y 大学开发的b s i ms o i 模型嵌入到电路模拟 软件s p i c e 中，使得缺乏s 0 1 器件与电路模型的问题得以解决。s 0 1 技术的优势愈来愈 突出，已逐渐成为微电子和光电子领域发展的前沿，并且拥有极其广泛的应用领域和发展 前景。随着信息技术的飞速发展，s o i 材料在高速微电子器件、低压低功耗器件、抗辐 照电路、高温电子学器件、微机械和光通信器件等主流商用信息技术领域的优势逐渐显现， 被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”和“新一代硅”。 1 3 本文的研究意义及主要内容 s o l 器件和电路具有许多优于体硅器件和电路的优点，如源漏区与沟道p n 结面积较 小、无热激发的闩锁效应、薄膜全耗尽s o i 器件的闽值电压随温度变化率较小等，十分 适合于高温环境下应用。文献 3 6 】报道在2 4 0 以上的高温条件下工作时体硅c m o s 电路 功能已经失效，而相同的s o ic m o s 电路在直至3 0 0 以上的高温下工作时仍能正常工 作。但由于传统s o i 器件隐埋氧化层的热导率较差( 3 0 0 k 时理论值为1 4 w c m k ) ，使得 电路工作时器件内部的热积聚变得很严重，热效应成为影响器件特性的主要因素，器件沟 道区晶格温度的升高会使器件开态漏电流下降；同时由于温度升高时本征载流子浓度n i 升高，造成关态电流升高，阈值电压产生温度漂移等，导致器件电流开关比降低，更严重 者使器件得输出特性显示出n d r ( n e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c e ) 特性，影响器件的稳 4 第一章绪论 定工作。因而，深入分析s o i 电路热效应，提出解决办法，成为目前突破限制s o i 技术 在高温领域发展瓶颈的首要任务。 另外，特征尺寸进入深亚微米范围内后，器件的电特性除了具有常规器件的各种效应 外，还会有许多二级效应产生，如短沟道效应，d i b l 效应、多晶硅栅耗尽效应，串联电 阻效应，载流子迁移率下降和载流子速度饱和等。短沟道效应会使器件的阈值电压随着沟 道长度的减小而减小；d i b l 效应能够使器件的漏端电势与沟道内电势相互耦合，影响阈 值电压稳定性，也会使器件的关态漏电流增大；多晶硅栅耗尽效应使器件的栅控能力减弱， 使器件跨导减小；薄膜全耗尽s o i 器件的串联电阻效应十分严重，使器件的驱动能力恶 化；深亚微米器件沟道内纵向和横向电场很强，使得载流子迁移率下降，强电场也会使器 件载流子速度饱和，从而影响器件的驱动电流。因此，深入分析深亚微米条件下各种二级 效应对s o i 器件特性的影响，并根据相应的指标对器件的工艺和结构参数进行折中优化， 也是一个广泛研究的热点问题。 在分析自加热效应产生原因及高温下沟道泄漏电流增大机理的基础上，针对上述问题 建立了符合深亚微米量级器件要求的s o i 器件结构模型，并利用三维器件模拟软件i s e t c a d 对其进行了模拟分析。首先为解决埋氧层热导率较差问题，分别建立了使用a 1 n 全部替换s i 0 2 埋层的s o a n 器件结构和部分替换的a i ns o i 器件结构，并对以上三种结 构的开态沟道温度分布，驱动电流以及阈值电压随温度漂移量进行分析讨论，得出能够更 好解决自热问题并不会引起器件其他特性恶化的器件结构- - s o a n 结构；然后以开态电 流、关态电流以及阈值电压随温度漂移量为标准对s o a n 器件结构进行结构参数优化， 得到优化的器件结构及工艺参数。根据优化后的器件参数模拟得到s o a n 结构和s o i 结 构在不同温度下的瞬态特性；最后，由于a 1 n 材料既具有高的热导率又具有高的介电常 数，在解决了自加热效应的同时又会造成器件工作时沟道关态泄漏电流增大。为解决这个 问题，提出了一种新型器件结构知ra 1 ns o i 结构，它既能够解决自加热效应又能够 解决埋层引入高热导材料后器件关态漏电流增大问题，最终使自加热效应得到完美解决。 这种结构器件更适合高温环境下应用，并且在现有工艺条件下能够实现。 第二章器件结构建立与物理模型选取 2 器件结构建立与物理模型选取 随着i c 设计和制造特征尺寸的不断缩小和s o i 器件及电路的发展成熟，s o i 技术逐 渐成为深亚微米电路设计领域的主流。尤其对于高温应用领域，s o i 技术由于其结构的优 点使其成为高温领域电路设计最有竞争力的选择，但目前关于深亚微米全耗尽s o i 器件在 高温领域应用的研究还比较少。因此，有必要对全耗尽s o i 器件和电路在高温工作状态 下的内部工作机理进行分析，对其工作时的各种内部和外部特性进行研究和分析，并对其 存在的问题进行改进，以期得到深亚微米条件下能够在高温环境中稳定工作的s o i 器件的 工艺和结构参数，达到延伸s o i 技术使用温度范围的目的。 本章以l o o n mf ds o ic m o s 工艺为例，建立了符合深亚微米量级要求的s o i 器件结 构模型，结合三维器件模拟软件i s et c a d ，对模拟中所需的各种模型如量子力学模型、复 合模型、迁移率模型等进行了选取和优化，并对器件模拟过程中使用材料的相关材料参数 做了相应的修正。 2 1 结构模型的建立 2 1 1 器件结构的建立 c m o s 反相器是所有c m o s 数字集成电路设计的基本单元，对c m o s 反相器的分析 可以延伸来分析其他的门电路，如“或非”、“与非等。c m o s 反相器由一个p m o s 负载管 和n m o s 驱动管构成，而p m o s 管和n m o s 管的工艺和结构参数决定了整个反相器的电学特 性口7 1 。因此，本章首先建立起深亚微米全耗尽s o in m o s 管和p m o s 管器件结构，然后使用 这些选定的p 管和n 管搭建起相应的s o ic m o s 反相器结构。 图2 1 给出了模拟中使用的s o i 器件单管结构剖面示意图，根据源漏区和沟道区掺 杂类型的不同可以分别形成n m o s 管和p m o s 管。如图所示，t l d 。和t l d d 分别为源区和漏区 轻掺杂区域的长度，n d 为l d d 区和l d s 区掺杂浓度，l g 为栅长，n a 为沟道区掺杂浓度， t s i 为顶层硅膜厚度，t b o x 为b o x 层厚度，n s u b 为衬底掺杂浓度，n d 为源漏重掺杂区 掺杂浓度。 7 西安理工大学硕士学位论文 图2 1f ds o im o s f e t s 剖面图 f i g 2 1 c r o s ss e c t i o no fat y p i c a lf ds o lm o s f e t s s t r u c t u r e 2 1 2 结构参数的选取 对于全耗尽s o im o s f e t s 来说，由于其具有较高的电流驱动能力、陡直的亚阈值斜 率、较小的短沟道和窄沟道效应以及有效消除飚n k 效应等许多优良特性，特别适合高速、 低压、低功耗电路的应用。因此，本文模拟所选器件模型参数即是基于栅长1 0 0 n m 的全 耗尽s o i 工艺。但由于全耗尽s o im o s f e t s 的有效工作状态为背界面耗尽状态，因此其 正、背界面存在电势耦合，这造成管子的电特性受器件前栅和背栅电势的影响，从而使单 管的关键特性参数如开态电流、关态电流、阈值电压以及亚阈值斜率等对管子的各种工艺 参数和结构参数如沟道掺杂浓度、硅膜厚度等非常敏感。另外，上述器件的一些关键特性 参数的影响因素相互矛盾，造成一些管子参数需要折中考虑，这更需要对全耗尽s o i m o s f e t 的结构和工艺参数进行优化设计。 a 短沟道效应因素3 a l 随着s o im o s f e t s 沟道长度不断缩小，短沟道效应影响越来越突出。s o im o s 器 件的短沟道效应物理本质与体硅器件类似，表现出阈值电压漂移等器件特性上的变化。 第一种短沟道效应主要是由于随着沟道长度的减小出现电荷共享，即栅下耗尽区电 荷不再完全受栅控制，其中一部分受源、漏控制，而且随着沟道长度的减小，受栅控的耗 尽区电荷减小，更多的栅压用来形成反型层，使得达到阈值的栅压不断降低。另外一种短 沟道效应的表现是随着漏端电压的增大，使得漏p n 结展宽变大，引起栅控耗尽区电荷减 少。由以上分析可知，深亚微米s o i 器件的短沟道效应与硅膜厚度t 。i 有关：随硅膜厚度 变小，栅控耗尽区部分占总栅下耗尽区部分的比例增大，从而降低第一种短沟道效应的影 响；这种效应也与硅膜掺杂浓度n 。有关：随硅膜掺杂浓度n a 增大，源漏p n 结在沟道中 的展宽减小，使共享部分电荷减小，同时可以降低第一和第二种短沟道效应。由以上分析 可以看到，对于全耗尽s o lm o s 器件，减小硅膜厚度t 。j 和增大硅膜掺杂浓度n 。是降低 第二章器件结构建立与物理模型选取 短沟道效应的有效途径。 b 亚阈值特性因素 亚阈值斜率s 也称为亚阈值摆幅，其定义为亚阈值区漏电流增大一个量级所需增大 的栅电压，反映了器件从截止态到导通态电流转换的陡直度。随着器件特征尺寸的缩小， 器件需要在低电压下工作，由此带来的低阈值电压要求使得器件亚阈值特性要尽量陡直， 从而可以得到较低的阈值电压和降低了的截止态电流。s 0 1m o s 器件的亚阈值特性取决 于硅膜厚度t 。i 、掺杂浓度n a 、及沟道长度l g