（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米sige+soi+mosfets的特性研究.pdf

摘要 论文题目：超深亚微米s ig es o lmo sf e t s 的特性研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：孙立伟 指导教师：高勇 杨嫒 教授 副教授 摘要 应变s i s i g e 技术以其高载流子迁移率等优异特性受到广泛关注，但当前报道的应变 沟道器件仍存在一些问题亟待解决，主要归结为以下几点： ( 1 ) 制备应变沟道n m o s 和p m o s 分别要应用不同的应变材料，两者制备工艺不 兼容，限制了应变沟道器件的集成化应用。 ( 2 ) 对于p m o s ，s ic a p 的存在使栅控能力减弱，栅压增大时容易产生寄生的空穴 导电沟道，影响了p m o s 的性能表现。 ( 3 ) 应变沟道器件仍然是基于传统单栅结构，无法有效改善超深亚微米特征尺寸下 单栅器件栅控能力下降等问题，制约了集成电路向更小的特征尺寸方向发展。 针对上述问题，本论文提出了双栅双应变沟道全耗尽s o im o s f e t 新结构，建立了 栅长为2 5 n m 的新器件结构模型。总结了双栅器件的物理模型，为了保证模拟的精确性， 对应变s i 、应变s i g e 的主要物理模型进行了修正。利用三维器件模拟软件i s et c a d 对 器件单、双栅模式下的单管直流特性和c m o s 瞬态特性进行了模拟，并分析了影响器件 性能的因素，如g e 组分，背栅偏压等。对p m o s 顶栅和底栅控制模式下的电学特性进行 了模拟和比较。根据模拟结果，新结构能很好地解决上述应变沟道器件的三类缺点： ( 1 ) 新结构把应变s i 和应变s i g e 结合起来，在沟道区形成双应变层，n 管和p 管 采用完全一致的层结构，仅通过改变掺杂类型和浓度来实现，这样就解决了两者工艺不兼 容的问题。 ( 2 ) 新结构有单栅和双栅两种工作模式，作为单栅应变沟道器件时，分别用顶栅和 底栅控制上层应变s i 和下层应变s i g e 导电，与体硅沟道器件相比，n m o s 和p m o s 的 驱动能力均有显著提高，c m o s 瞬态特性的上升时间和下降时间同时缩短了约一倍。对 p m o s 用底栅作为控制栅，栅控能力和驱动能力均优于顶栅控制，且消除了空穴寄生沟道 的影响。 ( 3 ) 作为双栅应变沟道器件时，充分发挥了双栅器件栅控能力强的优点，能有效改 善单栅器件在超短特征尺寸下性能退化的问题，其静态和瞬态特性在单栅模式的基础上有 率复獒錾域 名 名 名 签 签 签 西安理工大学硕士学位论文 了更进一步的提高。 本论文的最后一部分讨论了该结构的工艺实现问题，介绍了国内外典型应变沟道器 件和双栅器件及其制备工艺，给出了新结构的工艺实现流程，新结构在当前工艺水平下可 以实现。 关键词：量子阱双栅双应变沟道瞬态特性 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 t r a c t t i t l e ：c h a r a c t e r s t i c sr e s e a r c ho fu l t r a d e e p s u b m i c r o ns o ls i g e m o s f e 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 r o n i c s n a m e ：l i w e is u n 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 s i g n a t u r e ：至泣丝丛 s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i s i g et e c h n o l o g yh a sb e e nn o t i c e da n di n v e s t i g a t e db e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e ss u c ha s l l i g hc a r t i e rm o b i l i t y h o w e v e r t h es t r a i n e d m a t e r i a ld e v i c e sr e p o r t e dc u r r e n t l ye x h i b i ts o m e d e f e c t s ，w h i c hc a l lb es u m m e du pa s ： ( 1 ) t h em a n u f a c t u r eo fs t r a i n e d s ic h a n n e ln m o sa n ds t r a i n e d s i g ec h a n n e lp m o s n e e d d i f f e r e n ts t r a i n e dm a t e r i a l s ，s ot h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa r en o tc o m p a t i b l e ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt oi n t e g r a t et h es t r a i n e d c h a n n e ln a n dp m o s f e to nt h es a m es u b s t r a t e ( 2 ) t h ee x i s t e n c eo fs ic a pu p o nt h ec h a n n e lo fp m o sw e a k e n st h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l c o n t r o la b i l i t yo ft h eg a t e ，w h e nt h eg a t eb i a si n c r e a s e s ，t h eh o l ec a r r i e r st r a n s f e rf r o ms i g e c h a n n e lt os t r a i n e d - s ic h a n n e l ，t h i sb e h a v i o rf o r m sas u r f a c ep a r a s i t i cc h a n n e l ，w h i c hw e a k e n s t h ep e r f o r m a n c eo fp m o s ( 3 ) t h es t r a i n e d c h a n n e lm o s f e t s a r es t i l lu n d e rt h es i n g l e g a t e ( s g ) c o n t r o lm e c h a n i s m ，s o t h e yc a nn o ts o l v et h o s ep r o b l e m se f f e c t i v e l ys u c ha ss h o r tc h a n n e le f f e c t s ( s e e s ) w h e ng a t e l e n 垂hs c a l i n gd o w nt o u l t r ad e e ps u b m i c r o n ，a n dt h e r e f o r et h e s eq u e s t i o n so b s t r u c tt h e d e v e l o p m e n to ft h ec r i t i c a ld i m e n s i o n ( c d ) t oas h o r t e rc h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o nd e 目e e a sm e n t i o n e da b o v e ，an o v e lf u l l y - d e p l e t e ds o id e v i c es t r u c t u r ew i t hd o u b l e g a t ea n d d u a l - s t r a i n e d - c h a n n e li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h en o v e ld e v i c es t r u c t u r ew i t hg a t el e n g t h s c a l i n gd o w nt o2 5 n mi se s t a b l i s h e d ，t h et h e o r i e sa b o u tt h ed o u b l e g a t ed e v i c e s a r es u m m a r i z e d ， a n dt h em o d e l so fs t r a i n e ds ia n ds t r a i n e ds i g ea r cm o d i f i e di no r d e rt oo b t a i nm o r ea c c u r a c y s i m u l a t i o nr e s u l t s b o t ht h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i e so fs i n g l ed e v i c ea n dt h et r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c so fc m o sa r ea n a l y z e du n d e rs ga n dd gc o n t r o lm e c h a n i s m sb yt h ea d o p t i o no f i s et c a d t h ef a c t o r ss u c ha sg ep e r c e n ta n db a c kg a t eb i a st h a ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h en o v e ld e v i c ea r ea n a l y z e d ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp m o su n d e rb o t hs ga n dd gc o n t r o l m e c h a n i s m sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e da tt h es a m et i m e t h et h r e em a i np r o b l e m sm e n t i o n e d i i l 西安理工大学硕士学位论文 a b o v ec a nb es o l v e de f f e c t i v e l yb yt h ea d o p t i o no ft h en o v e ls t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ： ( 1 ) t h es t r a i n e d s ia n ds t r a i n e d - s i g ea lec o m b i n e dt o g e t h e ri nt h en o v e ls t r u c t u r ea n d c o n s e q u e n t l yt h ed u a l s t r a i n e d c h a n n e li sf o r m e d b o t ht h en m o sa n dp m o sh a v et h es a m e v e r t i c a ls t a c ka n dc a nb ea c h i e v e db yc h a n g i n gt h ed o p i n gs p e c i e sa n da m o u n t s ，s ot h e i r m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa r ec o m p a t i b l e ( 2 ) t h en o v e ls t r u c t u r ec a nw o r ku n d e rb o t hs ga n dd gc o n t r o lm e c h a n i s m s 、h e nt h e d e v i c ei su s e da ss gm o s f e t ，t h es t r a i n e d s ic h a n n e la n ds t r a i n e d s i g ec h a n n e la l ec o n t r o l b yt h et o pa n db o s o mg a t es e p a r a t e l y ，t h ed r i v i n gc u r r e n t sa r ei m p r o v e df o rb o t hn m o sa n d p m o sc o m p a r e dw i t ht h eu n s t r a i n e do n e s ，t h ec o n v e r s i o nt i m ef r o ml o g i c1t ol o g i c0a l e r e d u c e dt oa b o u to n eh a l fc o m p a r e dw i t hu n s t r a i n e dc m o ss i m u l t a n e o u s l y f o rp m o s ，b o t h t h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a lc o n t r o la b i l i t ya n dt h ed r i v i n gc u r r e n ta l ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb y t h ea d o p t i o no fb o t t o mg a t ec o n t r o lm e c h a n i s m ，t h es u r f a c ep a r a s i t i cc h a n n e li sd i m i n i s h e da t t h es a m e t i m e ( 3 ) w h e nt h ed e v i c ei su s e da sd gm o s f e t ，i ts h o w ss t r o n gg a t ec o n t r o la b i l i t y , w h e nt h e g a t el e n g t hs c a l i n gd o w nt ou l t r ad e e ps u b m i c r o n ，t h o s ep r o b l e m ss u c ha ss c e sa n ds oo nc a l l b ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , t h es t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c sc a nb ei m p r o v e df u r t h e r c o m p a r e dw i t hs g c o n t r o lm e c h a n i s m a tt h e e n d ，t h e t e c h n i c a l f e a s i b i l i t y o ft h en o v e ls t r u c t u r ei s d i s c u s s e d t y p i c a l s t r a i n e d m a t e r i a ld e v i c e sa n dt h e i rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa r ei n t r o d u c e d ，t y p i c a ld gd e v i c e a n dt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si si n t r o d u c e dt o o ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sb a s e do nt h en o v e l s t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h en o v e ls t r u c t u r ec a nb ea c h i e v e dw i t h t o d a y sp r o c e s sl e v e l k e y w o r d s ：q u a n t u mw e l l ；d o u b l eg a t e ；d u a l - s t r a i n e d c h a n n e l ；t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c p r o je c ts u p p o r t e db y x 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 n f u n d ( g r a n t n o x a - a m 一2 0 0 514 ) i v 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工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，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 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 论文作者签名：量! 坠垄牮 2 辞弓月 学位论文使用授权声明 日 本人互盎五1 壶在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， j 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。 本人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) 论文作者签名：i 查止垂：由导师签名：- 。国年月 7 曰 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 集成电路的发展已经进入超深亚微米时代，当前特征尺寸为6 5 n m 的s i 基c m o s 集 成电路已经成为主流，特征尺寸为4 5 n m 的集成电路已经进入商业化量产【l 】。随着器件特 征尺寸的不断减小，集成度不断提高，制备工艺越来越复杂，出现了一系列涉及材料、器 件物理、器件结构和制备工艺的新问题。 传统s i 基m o s 器件已经接近其物理极限，难以满足人们对其性能更进一步的要求。 一方面，通信、计算机、信号处理等领域对电路速度的要求越来高，s i 基集成电路逐渐 显现出应用于高速电路中的力不从心，促使人们寻找能实现更高电路速度的半导体材料。 近年来，随着制备工艺的不断进步，应变s i s i g e 技术的成熟和制备成本的降低，利用应 变材料载流子迁移率高的特点研究超高速集成电路，成为当前最为活跃的国际研究领域之 一【2 】o 。 另一方面，随着器件的沟道长度不断减小，短沟道效应越来越严重，栅控能力相对下 降，阈值电压发生漂移，亚阈值斜率增大，器件泄漏电流变得不可忽视，对器件性能产生 严重影响。多栅器件能有效改善上述单栅器件存在的问题，被认为是下一代集成电路的理 想候选结构之一【3 1 。 本文把双栅技术、应变s i 应变s i g e 技术和s o i 技术相结合，提出了双栅双应变沟道 全耗尽s o im o s f e t 新结构，为上述问题的解决提供了崭新的思路。 1 2s i s i g e 应变技术 1 2 1s i s i g e 应变技术的特点 超深亚微米特征尺寸下人们将应变材料引入器件沟道，以期制造出速度更高的芯片。 s i s i g e 异质结技术又称为沟道能带工程，是近年来各国相关领域的一个研究热点【4 7 。，利 用s i s i g e 能带的不连续性，形成量子阱效应，把载流子限制在阱中，加之应变材料本身 高迁移率的物理特性，来提高载流子迁移率。此外应变s i 应变s i g e 双应变技术的研究也 逐渐兴起，人们尝试把应变s i 层和应变s i g e 层结合在一起，形成双应变沟道结构，以进 一步提高应变沟道器件的性能瞵。9 】。 基于应变s i 材料的n m o s 能形成电子的量子阱，实现n m o s 速度的提高：基于应 变s i g e 材料的p m o s 能形成空穴的量子阱，实现p m o s 速度的提高。因而基于应变技术 的c m o s 电路拥有更高的工作频率、更强的电流驱动能力和更高的增益。正是由于应变 材料具有上述明显的技术优势，各国大学和相关研究机构加紧开发应变材料与当前流行的 s i 基集成电路相兼容的工艺，现在应变c m o s 与s ic m o s 相兼容的工艺已经成熟，只需 西安理工大学硕士学位论文 在传统的s i 工艺中增加异质结技术，可以充分利用现有的设备大规模生产而不需要过多 的设备更新；在成本上，s i g e 的成本比g a a s 低3 0 ，比s ic m o s 仅仅高出1 0 ，更重 要的是，应变s i 能实现n m o s 性能的改善，应变s i g e 能实现p m o s 性能的提高，并且 当前两种应变材料结合在一起的工艺和器件已在研究中，为应变器件的集成化应用奠定了 坚实的技术基础。 1 2 2s i s i g e 应变技术的国内外研究状况 正是基于应变s i s i g e 材料本身优异的电学特性，近年来关于应变材料制备工艺和器 件应用的研究受到越来越多人的关注。关于s i s i g e 应变技术的研究，主要分为以下几个 方面： ( 1 ) 能带理论和材料制备的研究 二十世纪五十年代，w s h o c l e y 提出了异质结的概念；1 9 5 7 年，h k r o e m e r 更为系统 地阐述了异质结器件的原理和概念【l o 】；1 9 7 5 年，k a s p e r 等人发表了关于在s i 衬底上m b e ( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，分子束外延) 生长s i g e 超晶格的文章，对s i g e 生长中由于晶 格失配引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低 缺陷密度的高质量s i g e s i 应变材料；1 9 8 6 年，m m 的m e y e r s o n 发明了u h v c v d 设备， 可以大批量的生产s i g e 外延片( 8 英寸晶片，5 0 2 0 0 片批) ，成本也大大低于m b e ，这为 s i g e 技术的产业化奠定了基础。 ( 2 ) 材料制备工艺的优化和应变器件的制备 l k b e r a 1 1 】等报道了在一个s 0 1 基片上同时制备应变s i 沟道n m o s 和应变s i g e 沟 道p m o s 器件的工艺流程，其中应变s i g e 采用“g e 浓缩”技术，直接制备在s o i 衬底上， 电子和空穴迁移率分别有6 0 和9 0 的提高；k r i m 等【1 2 】报道了绝缘层上超薄应变s i 器件( s s d o i ：s t r a i n e ds id i r e c t l yo ni n s u l a t o r ) ，电子迁移率较常规结构提高了1 2 5 ； j o n g w a nj u n g 等报道了应变s i 应变s i g e 双沟道p m o s 结构；i n g v a r a b e r g 等【1 4 】用键合 法制备了绝缘层上应变s i 应变s i g e 应变s i 三层应变材料的h o i ( h e t e r o s t r u c t u r e o n i n s u l a t o r ) 器件结构，为今后新器件结构的研究提供了更为广阔思路 和更便利的技术实现平台； ( 3 ) 商业领域的应用 2 0 0 2 年1 2 月，i b m 公司报道了特征频率高达3 5 0 g h z 的s i g eh b t t l 5 】，随后，世界 上主流半导体公司均在s i g e 技术上有了重大突破，现在拥有s i g eh b t 的公司有 m o t o r o l a 、m a x i m 、l u c e n t 、s t 、i n f i n e o n 、p h i l i p s 等。2 0 0 4 年i n t e l 公司新推出采用应变 s i 技术的9 0 n mp e n t i u m 4 芯片，芯片性能提高1 0 0 o - 2 0 ，频率达3 4 g h z ，实现了c p u 遵循摩尔定律的第1 4 次更新换代；m m 采用应变s i 和s 0 1 技术使其p o w e p c 和a m d 公 司的a t h l o n 6 4 芯片的工作频率分别提高了7 和1 2 。 应变s i s i g e 技术研究国内方面相对国际比较落后，开展研究的主要是一些大专院校， 2 第一章绪论 远没有达到产业化。清华大学微电子所自行研制了适于工业生产的u h v c v d 式单片s i g e 外延设备s g e 4 0 0 ，并用该设备生长出制备器件级别的s i s i g e 异质结材料，并研制出多 种s i g e 器件，如：研制出国内第一个s i g e 微波功率h b t ( p a e = 6 3 、g p = 7 4 d b ；连 续波输出功率为5 w ，工作频率约1 g h z ) 。清华大学还采用s g e 4 0 0 外延的材料，用2 m m 工艺，研制出高成品率的s i g e 微波低噪声h b t 器件( p = l o o ，k = - i5 g h z ，噪声系数在2 g h z 下工作约为2 d b ) 。清华大学微电子所采用0 5 岬工艺，试制成功s i g eh p m o s f e t 和 h n m o s f e t ，跨导分别达到11 0 m s m m 和2 9 0 m s m m 1 6 】。其它院校或研究所对s i g e 器件 也有一定的研究，如西安理工大学、西安交通大学等。 1 3 多栅技术 1 3 1 多栅技术的特点 多栅器件能很好地抑制短沟道效应，拥有近乎理想的亚阈值斜率，较高的跨导和较强 的驱动能力，被广泛认为是最具有发展潜力的新型器件结构之一。多栅器件根据结构不同 可以分为如下几种【1 7 】，见图1 1 。图1 2 和图1 3 给出了多栅器件随着沟道长度的减小， 亚阈值斜率、d i b l ( d r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w i n g ) 因子以及阈值电压的波动情况。从图 中我们可以看出，随着栅的数目增多，栅对沟道的控制能力增强，器件的亚阈值特性， d i b l 效应，阈值电压波动情况等电学特性越理想，越有利于抑制短沟道效应。 a ：荦糖b ：放栅c ：篓橱鑫：环绕橱e ：瑙糖 图1 - 1 s o i 全耗尽单栅和多栅器件 f i g 1 - 1s i n g l e - g a t ea n dm u l t i - g a t es o lf dd e v i c e s 图1 2 为多栅器件d i b l 和a v t h 随栅长变化情况图1 - 3 为多栅器件亚阈值斜率随栅 长变化情况。我们以多栅器件的典型结构双栅器件为例，来说明多栅器件的优异的电学特 性。双栅器件的顶栅和底栅连在一起，共同控制沟道区，能有效抑制漏端电力线向沟道区 的穿透。如果以1 0 0 m y 阈值电压漂移为标准，双栅器件的最小沟道长度可以比单栅全耗 尽s o l 器件降低2 3 倍，因此双栅器件十分适用于小尺寸器件【1 8 1 9 】。驱动能力方面，双 栅器件的驱动能力较单栅器件可以增大约两倍，这主要是由于双栅器件中存在两个导电沟 道，而且由于不是通过搀杂浓度来抑制短沟道效应，可以采用较低的沟道搀杂，载流子迁 移率得以提高，电流驱动能力增强。 3 西安理工大学硕士学位论文 图1 2 多栅器件d i b l 和a v m 随栅长变 化情况 f i g 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i b la n d a v t hf o rv a r i o u sg a t el e n g t h s 耋 囊 鎏 图1 3 多栅器件亚阈值斜率随栅长变化情况 f i g 1 3s u b t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i g a t em o s f e tw i t hv a r i o u sg a t el e n g t h s 由上可知，多栅器件可以解决由于特征尺寸不断减小带来的一系列问题，能有效抑制 短沟道效应、d i b l 效应，降低亚阈值漏电，具有更为理想的亚阈值斜率，不需要采用较 高的沟道掺杂浓度，可以提高载流子迁移率，同时可以降低掺杂涨落对器件性能的影响， 另外，可以提高器件的电流驱动能力。 1 3 2 多栅技术的国内外研究现状 基于上述多栅器件优异的电学特性，多栅器件的研究得到了世界各国的广泛重视，相 关的研究领域十分丰富。在理论方面主要包括：器件的基本电流模型，阈值电压模型，亚 阈值电流模型，还包括对短沟道效应、体反型效应、泄漏电流，栅不对准等问题的研究。 在器件制备方面的研究主要包括：各种新结构器件及其工艺流程的设计，各种特定工艺的 研究等。 理论研究方面，1 9 8 7 年b a l e s t r a 提出了增强型双栅m o s f e t 器件在强反型条件下的 工作模型【2 0 1 。推导了正背界面阈值电压模型和源漏电流模型，并分析了硅膜厚度不同时 漏源电流、载流子迁移率以及亚阈值特性变化情况。1 9 9 4 年，日本f u j i s t u 实验室提出了 n - p 多晶硅非对称双栅结构，并推导了相应的阈值电压模型 2 1 】。a d e l m oo r i t z c o n d e 等【2 2 】 总结了基于反型质心模型的沟道区非掺杂双栅s 0 1m o s f e t 的阈值电压和驱动电流模 型，针对对称双栅和非对称双栅两种不同结构分别作以考虑。e l v i sc s u n 等【2 3 】报道了全 耗尽双栅( d o u b l e g a t e ) n m o s 在栅未实现自对准情况下的阈值电压模型。 器件结构和制备方面，m v i n e t 等【2 4 】采用键合工艺成功制备了栅长为1 0 n m 的s o i v i o s 器件，给出了键合法制备双栅m o s f e t 的完整流程，由测定结果知其电学特性比 单栅器件有非常明显的改善。j u l i ew i d i e z 等【2 5 】也制备了超薄体区的双栅s 0 1m o s 器件， 其栅长为l o 2 0 n m ，沟道硅膜厚度为6 n m ，并与相同栅长条件下单栅器件的驱动能力和 4 第一章绪论 亚阈值斜率等器件特性作以对比。s p a r k e 掣2 6 1 采用自对准法制备了双栅s o ic m o s ，其 底栅是采用自对准注入工艺形成。美国麻省理工学院微系统技术实验室的j o n g h ol e e 等 人【2 7 】利用氧化速率差别和选择外延技术制造出超自对准双栅( s s d g ：s u p e rs e l f - a l i g n e d d o u b l eg a t e ) m o s f e t 。 国内多栅m o s f e t 及其相关领域的研究相对落后，主要集中在一些大学院校和研究 所，且主要为理论模型方面的研究。如清华大学邵雪等【2 8 】研究了非对称栅压对双栅器件 阈值电压的动态控制，张大伟等【2 9 】考虑量子效应作- r x 2 栅m o s f e t 的阈值电压建模；东 南大学的王伟等【3 0 l 模拟了纳米双栅m o s f e t 的量子格林函数模型，钱莉等【3 1 】分析了栅对 准误差对双栅m o s f e t 性能影响，方圆等【3 2 1 基于2 4 所的双极工艺做了双栅m o s f e t 的 流水，并实测器件的特性表征和特征参量；中科院微电子所的王志玮等p 3 】成功制备了 5 0 n m 的自对准双栅m o s f e t 的假栅。 由上所述可见，当前关于应变s i g e 沟道p m o s 、应变s i 沟道n m o s 报道很多，关 于双栅器件的报道也为数不少，但对于在同一硅片衬底上制作应变s i 电子沟道n m o s 和 应变s i g e 沟道p m o s 的研究，国内外鲜有报道。而把双应变材料与双栅工艺相结合，提 出分别用顶栅控制上层应变s i 和用底栅控制下层应变s i g e 来实现n m o s 和p m o s 功能 的设计思想，国内外至今没有报道。 1 4 本文的研究意义和主要工作 本课题首先对当前报道的应变s i 沟道n m o s 和应变s i g e 沟道p m o s 器件进行了深 入研究，对这些器件存在的缺点进行了分析，大致可以归结为以下几点： ( 1 ) 制备应变沟道的n m o s 和p m o s 分别要应用不同的应变材料，两者制备工艺 不兼容，这限制了应变沟道器件的集成化应用。 ( 2 ) 对于p m o s ，s ic a p 的存在使栅控能力减弱，栅偏压增大时容易产生表面的寄 生空穴沟道，影响了p m o s 的性能表现。 ( 3 ) 应变沟道器件虽然有效提高了电路速度，但是应变沟道器件仍然是基于传统单 栅结构，面对当前超深亚微米特征尺寸下单栅器件栅控能力下降的缺点，仍缺乏有效的改 善方法，这限制了基于应变技术的集成电路向更小的特征尺寸方向发展。 针对上述问题，本论文对应变s i 和应变s i g e 沟道器件的物理模型进行了深入剖析， 结合当前工艺条件，提出了双栅双应变沟道全耗尽s o im o s f e t 新结构，能很好地解决 上述应变沟道器件中存在的三类问题： ( 1 ) 新结构把应变s i 和应变s i g e 结合起来，在沟道区形成双应变层，n 管和p 管 采用完全一致的层结构，仅通过改变掺杂类型和浓度来实现，这样就解决了两者工艺不兼 容的问题。 ( 2 ) 新结构有单栅和双栅两种工作模式，作为单栅应变沟道器件时，分别用顶栅和 底栅控制上层应变s i 和下层应变s i g e 导电，可以分别实现n 管和p 管速度的提高。对 5 西安理工大学硕士学位论文 p m o s 用底栅作为控制栅，与顶栅作控制栅相比，一方面增强了栅控能力，另一方面消除 了寄生导电沟道，使p m o s 的性能有明显的改善。 ( 3 ) 作为双栅应变沟道器件时，充分发挥了双栅器件栅控能力强的优点，有效改善 了单栅应变器件在超短特征尺寸下性能退化等问题，且电路速度比单栅模式有了更进步 的提高。 本论文主要以半导体器件三维模拟软件i s et c a d 为工具，分别对应变s i 沟道 n m o s 、应变s i g e 沟道p m o s 进行了模拟和分析，包括输出特性、转移特性、跨导特性、 亚阈值特性、c m o s 瞬态特性等。并在此基础上进行优化，分析了结构参数变化对器件 特性的影响。接下来分析了双栅器件在极短的特征尺寸下电学特性不退化的内在机理，主 要从驱动能力、跨导、亚阈值斜率，以及对s c e s 效应和阈值电压漂移的抑制等方面来说 明双栅工作模式的优越性，比较了双栅模式下应变沟道与体硅沟道器件的电学特性，最后 给出了新结构的工艺实现流程。各章内容安排如下： 第一章绪论。综述了s i g e 技术、双栅技术的产生背景、主要特点及国内外发展状况， 对本论文的主要工作进行了概述。 第二章物理模型及模拟方法。结合已发表的文献资料，修正了应变s i 、应变s i g e 材料物理模型，包括能带宽度模型、迁移率模型等，以反映应变材料的真实特性。总结了 双栅器件的物理模型，包括等电位模型、亚阈值区电流模型、阈值电压模型、输运电流模 型等。 第三章单栅工作模式下应变沟道m o s f e t 的特性分析。研究了单栅应变s i 沟道 n m o s 、应变s i g e 沟道p m o s 的基本结构和工作原理。对单管直流特性和c m o s 瞬态特 性进行了模拟，并与体硅沟道器件作以对比，同时分析了结构参数对器件特性的影响，如 g e 组分、背栅偏压等。对于p m o s ，比较了顶栅和底栅控制模式下器件的电学特性。 第四章双栅工作模式下应变沟道m o s f e t 的特性分析。首先分析了新结构作为双栅 器件应用时，如何能有效抑制短沟道效应，如何实现在亚阈值特性、跨导特性、驱动能力 和c m o s 瞬态特性等方面的改善。然后对双栅模式下应变沟道器件与体硅沟道器件的电 学特性进行了对比，主要是从驱动能力、跨导特性和c m o s 瞬态特性进行了比较。 第五章介绍了国内外应变沟道器件和双栅器件的典型结构和关键制备工艺，结合当 前实际工艺水平，给出了新结构的工艺实现流程。 第六章结论与展望。对完成的工作、取得的结论进行总结。 6 第二章物理模型 2 物理模型 2 1 应变s i s i g e 的物理模型 在对应变s i 、应变s i g es o im o s f e t 进行设计和模拟时，必然要用到应变s i 、应 变s i g e 材料的物理特性参数。i s et c a d 中对应变s i 和应变s i g e 的物理模型有一部 分以s i 代替，这显然不能精确反映器件特性。本章国内外已发表的相关文献进行分析 和总结，建立了用于模拟分析应变s i 应变s i g em o s f e t s 特性所需的物理模型，对i s e 中默认的公式用m a t l a b 进行拟合。 2 1 1 s i s i g e 应变材料的晶格结构 s i 和g e 的单晶均为金刚石结构的立方晶系，晶格常数分别为0 5 4 n m 和o 5 7 n m ， 按照v e g a r d 定律，当s i 和g e 按照一定的摩尔比率x 形成固溶体s i i x g e x 时，体s i l x g e x 合金的晶格常数随组分比x 呈线性变化： a s i g e = + ( 一a s i ) x ( 2 1 ) s i 和g e 的失配率为4 2 ，s i l x g e x 合金与s i 之间的晶格失配率为： f = 坠二鱼：! 垒二鱼) 兰 n s i a s i = 0 0 4 2 x 式( 2 2 ) 表明s i g e 合金与s i 之间的晶格失配率与g e 组分成正比。 ( 2 2 ) 移缓澎麓彩缓缴糍国澎爱缀稼 图2 - 1 在弛豫s i g e 衬底上外延生长s i g e 示意图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs t r a i n e ds i g ef i l m so nr e l a x e ds i g es u b s t r a t e 应变s i g e 与体s i 是两种晶格失配材料，一般来说，生长出缺陷位错密度小的应 变s i g e 层，需要先在s i 衬底上外延生长弛豫s i t x g e x 层，然后再生长应变s i l y g e y 层， 7 西安理工大学硕士学位论文 通常y x ，这样就把缺陷和位错局限在弛豫s i g e 层内，获得较为理想的应变s i g e 层。 如图2 1 ，由于s i g e 的晶格常数大于s i 的晶格常数，s i g e 应变层沿平行于s i 衬 底生长表面方向受到压应力，正是这个压应力使s i g e 外延层的晶格结构发生了应变。 当晶格常数小于衬底材料时形成张应变，当晶格常数大于衬底材料时形成压应变，衬 底材料对外延材料形成应力。这种应力在一定的温度和外延层厚度下将得以保持，当 应变层的厚度达到某一定值时，蓄积在应变晶格中的能量不足以维持应变而被释放出 来，应变被弛豫，产生失配位错，破坏材料物理性质，这个值就是临界厚度，它与 s i g e 层中的g e 组分有关。 2 1 2 应变s i 物理模型 1 能带模型 当硅薄膜赝形生长在弛豫s i g e 衬底上时，会受到双轴张应力，品格应变使s i 能 带结构发生变化。对于生长在弛豫s i g e ( 1 0 0 ) 晶面的应变硅材料来说，由于应力的作用， s i 导带底原有的六重简并能谷的简并被分解分为两组：两个能量降低的二重简并能谷， 沿与沟道垂直的轴向；四个能量升高的四重简并能谷，沿与沟道平行的轴向。低能谷 与高能谷之间能量差的经验值为o 6 7 y