（微电子学与固体电子学专业论文）双面栅mosfet的模型研究与结构设计.pdf

摘要 双面栅m o s f e t 是一种新型的器件结构由于具有上、下两个栅，增强了对沟道的控制能力。 与常规的m o s f e t 器件相比，双面栅m o s f e t 具有许多优点：接近理想的亚闽值斜率、较高的载 流子迁移率、高的跨导和电流驱动能力、较好地克服器件的短沟道效应、控制截止时的源漏泄漏电 流、有效的抑制与消除m o s 器件的二级效应以及较强的抗辐射能力等。因此，双面栅m o s f e t 被 认为是m o s 器件的栅长缩小到深亚微米量级时，最具有发展前途的一种新型器件。 本论文的研究丁作主要是在对双面栅m o s f e t 的模型的进一步分析和研究的基础上，结合具体 工艺条件，进行双面栅m o s f e t 的结构及工艺流程设计，并进行流水实验，一方面验证我们以前的 理论，另一方面设计了具体可行的叔面栅m o s f e t 的结构和工艺方案。 本论文首先介绍了双面栅m o s f e t 的发展的必然性，以及目前的研究状况。讨论了双面栅 m o s f e t 的结构设计时需要考虑的问题，以及栅长尺寸缩小时的一些规则。 接着，介绍了国外研究的几种新型双面栅m o s f e t 的结构及实现工艺。在借鉴和分析的基础上， 结合具体的1 艺条件，设计了几种双面栅m o s f e t 的结构及工艺，比较了这儿种结构的优缺点及上 艺实现的难度。 然后，对双面栅m o s f e t 的理论分析和计算根据等电位近似及硅膜的体反型机理，推导山了 器件的电流电压关系，及跨导特性，亚阂值特性等。从理论上分析双面栅m o s f e t 的各个参数对器 件性能的影响。为进行具体的工艺设计打下理论基础。并且，在二维器件模拟软件m e d i c i 中，模 拟了双面栅m o s f e t 的各个特性曲线，进一步验证了坝砸栅m o s f e t 的理论模型。还建立了双面 栅m o s f e t 的基于外部表格的s p i c e 模型，可以用于电路中进行s p i c e 模拟。 最后，在初步的结构、工艺设计和理论分析的基础上，结合具体的工艺条件，设计了两种相对 比较容易实现的双面栅m o s f e t 的结构及j 二艺( 一种基于s o l 及键合上艺的水平双面栅m o s f e t ， 另一种基于双极工艺的垂直双面栅m o s f e t ) ，进行了详细的工艺及版图设计。 由于时间的限制，只对基于双极工艺的垂直双面栅m o s f e t 进行了流水实验。 关键字：双面栅m o s f e t ，s p i c e ，自对准栅， 水平双面栅m o s f e t ，垂直双面栅m o s f e t a b s t r a c t d o u b l e - g a t em o s f e ti sc o n s i d e r e dt h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rc m o ss c a l e dt ot h eu l t i m a t e l i m i to f5 0 n mg a t el e n g t h s i n c ed o u b l e - g a t em o s f e t sh a v et w og a t e s ，w h i c ho f f e r sm o r ec o n t r o lt o c h a n n e l d o u b l e - g a t em o s f e tp r e s e n t sn u m e r o u sa d v a n t a g e so v e rb u l ks im o s f e t s ，s u c ha san e a r l y i d e a ls u b t h r e s h o l ds l o p e ，b e t t e rs h o r t - c h a n n e lc o n t r o l ，h i g h e rm o b i l i t y , h i g ht r a n s c o n d u c t a n c e ，g o o d r a d i a t i o nt o l e r a n c e ，e t c i nt h i sp a p e r , w ei m p r o v ef u r t h e rt h ec u i r e n tm o d e lo f t h ed o u b l e - g a t em o s f e t s a c c o r d i n gt oa c t u a l t e c h n o l o g y , w ed e s i g ns e v e r a l “n d so fn e wd o u b l e - g a t em o s f e t ss t r u c t u r e s a n dt h e np u tt h e mi n p r a c t i c e f i r s t l y , w ec l a d f ys o m ei n t r o d u c t i o n sa b o u td o u b l e g a t em o s f e t s ，a n dp u tf o r w a r ds c a l i n gl i m i t sa n d d e s i g nc o n s i d e r a t i o n s s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c es e v e r a lk i n d so fn e w - s t y l es t r u c t u r eo fd o u b l e g a t em o s f e ta n dc o m p a r e t h e i rc h a r a c t e r sa n dp e r f o r m a n c e s t h e na c c o r d i n gt oa c t u a lt e c h n o l o g y , w ed e s i g no u rd o u b l e g a t e m o s f e t ss t r u c t u r e sa n dp r o c e s sf l o w s t h i r d l y w ee s t a b l i s ht h ec u r r e n tm o d e lo ft h en - c h a n n e ld o u b l e - g a t em o s f e t sn e a ra n db e l o w t h r e s h o l dv o l t a g e ，a n da n a l y z et h et r a n s c o n d u c t a n c ea n ds u b t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i c s w ea l s om a k em o d e l o fd o u b l e g a t em o s f e t si nd e v i c es i m u l a t o rm e d i c i ，s oa st ov a l i d a t eo u rm o d e l s t h e n ，w ep r o p o s ea m e t h o dt om a k ed o u b l e g a t em o s f e t ss p i c em o d e lw i t he x t e r n a lt a b l e s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r i m a r yd o u b l e g a t em o s f e t ss t r u c t u r e sa n dt h ea n a l y s i so fi t st h e o r i e s ，w e d e s i g nt h es t r u c t u r e sa n df l o w sd e t a l l e d l y t h e n ，w ep e r f o r ma ne x p e r i m e n tw i t ho u rd e s i g n ，a n dg e tt h e d o u b l e - g a t ed e v i c e s k e yw o r d s ：d o u b l e g a t em o s f e t s ，s p i c e ，s e l f - a l i g n e dg a t e p l a n a rd o u b l e - g a t em o s f e t s ，v e r t i c a ld o u b l e - g a t em o s f e t s 学位论文独创性声明 工7 9 0 9 9 0 本人声明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 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盟日期：塑： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签 名：凌卜导师签名馘日期：如- ；5 第一章绪论 第一节双面栅m o s f e t 的发展及其现状 自从1 9 4 7 年品体管诞生以来，在硅表面制造金属氧化物一半导体晶体管( m o s f e t ) 已经有几 十年的历史了。如今，c m o s 工艺技术已经成为微电子t 业的主流技术。目前的c m o s 集成电路人 部分是在体硅衬底表面制造的。但是，由于体硅m o s f e t 和硅衬底之间相互作用，产生了一系列的 寄生效应，如源漏扩散区与衬底之间的寄生电容，c m o s 器件的闩锁效应等。这些寄生效应对 m o s f e t 的性能有很大的影响。 采用s o l 衬底i l 】的s o lm o s f e t 结构如图1 1 1 所示，由丁器件与衬底之间被二氧化硅介质隔 离，避免了许多：级效应。s o l 技术优于体硅技术的优点是：无闩锁效应，源漏寄生电容小，易形 成浅结，抗辐射特性好等。由y - s o lm o s f e t 的优良性能，_ 十多年来，国内外不断地对s o im o s f e t 进行研究。除了研究基本的s o im o s f e t 结构外，还对各种新型特殊s o i 器件进行研究，如双极型 绝缘棚横向晶体管、双极m o s 器件、双面栅m o s f e t 、双极品体管等。 网i11s o l m o s f e t 结构不意图 在过去的3 0 年里，m o s f e t 的发展一直遵循摩尔定律高速发展，即每1 8 个月，c m o s 集成电 路中集成的晶体管数目将翻一倍，晶体管的速度也将翻一倍，而成本将会降低一倍。这样的飞速发 展主要是依靠降低晶体管的特征尺寸，从而提高晶体管的速度和芯片的集成密度，使得电路的性能 不断提高，推动着电子技术的不断进步。 但是随着器件尺寸的缩小，由于基本的物理机制的限制，进一步缩小m o s f e t 的尺寸越来越困 难。图1 i 2 中列出了c m o s 技术中发展的几种重要的m o s f e t 结构”l 。这些结构使得c m o s 电路 遵循摩尔定律进一步向前发展，但是，在不久的将来，这些结构就会达到其基本的物理极限。 表1 111 9 9 9 年s 1 a 列出的半导体技术的发展的概要【3 n e a rt e r m sy e a r s l o n gt e r my e a r s y e a r2 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 82 0 1 12 0 1 4 g a t el i t h o g r a p h y 1 0 08 5 9 08 07 06 54 53 0 3 22 0 2 2 ( r i m ) o x i d et h i c k n e s s 1 5 - 1 91 5 - 1 91 5 i 91 2 1 51 o 1 5o 8 1 2o 6 080 5 一o6 ( n m ) s u p p l yv o l t a g e 1 2 1 51 2 1 51 2 1 5o 9 1 209 120 6 09o 5 06o3 06 ( v ) c l o c k 1 4 5 41 6 0 01 7 2 41 8 5 72 0 0 02 5 0 03 0 0 03 6 0 0 ( m h z ) 预计在将来的l o 1 5 年内，c m o s 技术仍将遵循摩尔定律向前发展，直到特征尺寸缩小到 2 0 一2 5 n m 左右。如表1 1 1 所示【3 1 。常规的m o s f e t 的特征尺寸达到2 5 n m 时，就会碰剑许多的问 题这些问题是基本的物理极限，是无法克服的。因此，必须改进m o s f e t 的结构，才有可能使栅 k 最小尺寸缩小到几十纳米的量级1 4j 。因此，世界各国都在研究各种适合丁深微米的新型器件结 构，这些器件结构各有优缺点，如图1 1 2 。总体说来，双面栅m o s f e t 被认为是特征尺寸缩小到 几十纳米量级时，最具有潜力的新型器件结构之一p j 。 到目前为i r ，世界各国对双面栅m o s f e t 的研究都十分重视。研究的方面也很广泛。在理论分 析方面主要包括：器件的基本电流模型、闽值电压的控制、短沟道效应、体迁移琦墨、砸阈值斜率、 源漏间的泄漏电流、上下栅的不对准问题、量子效应等。在器件的制作方面主要包括：新型的结构 及其上艺流程、特殊的单项t 艺研究等。研究的方面涉及到器件的各个方面，另外还有一些关于电 路应用的问题等。 u n i f o r m l yd o p e d b u l km o s f e t l o wi m p u r i t yc h a n n e lb u l km o s f e t 嚣薯宙3 - 鬟n g 轴霸；赫 s o l 味o s f 汁 d u a l g 椭 图112 改进的m o s f e t 结构口1 通过各方面的理论分析及计算，都证实了双面栅具有许多优点：接近理想的亚闽值斜率、较高 的载流子迁移率、高的跨导和电流驱动能力、较好地克服器什的短沟道效应、有效的抑制与消除m o s 器件的二级效应以及较强的抗辐射能力等。这其中最基本的特点是双面栅m o s f e t ，由于具有上下 两个栅，增强了对沟道石丰膜的控帝i 。u 力，能很好地克服器件的短沟道效应，抑制源漏之间的泄漏电 流，凶此可以进一步缩小器件的栅长尺寸。 双面栅m o s f e t 的最大的问题和困难是：工艺制作复杂，而且有些j 二艺步骤的难度很高。 因此，目前最重要的，也是研究最多的是：设计新型的双面栅m o s f e t 结构，要求简化工艺制 作流程和难度，具有合适的闽值电压，能够很好地实现上下栅的自对准，并且器件的源漏区较厚等。 如f i n f e t 的以面栅m o s f e t 结构陋”j 。另一方面，积极进行工艺研究，一旦某些工艺有所突破， 双面栅m o s f e t 的制作难度将大大降低。 第二节双面栅m o s f e t 的设计考虑及尺寸缩小规则1 4 l 随着m o s f e t 的尺寸缩小到几十纳米量级，双面栅m o s f e t 结构的器件比常规m o s f e t 能更 好的克服短沟道效应。而且，随着栅长的缩小，截止时源漏间的泄漏电流越来越严重的，双面栅 m o s f e t 由于具有上下两个栅，有利丁- 更好的控制泄漏电流。 g a t e l e r 【自协g a t e l e n 酢h n + s o u r c e目 n + d r a i n ( a ) t b ) 图121 常规m o s f e t 结构与双面栅m o s f e t 结构 图12 1 ( a ) 是常规m o s f e t 结构示意图，双面栅m o s f e t 的基本结构示意图如图121 ( b ) 所示， 中间是导电沟道，平行于沟道的两侧分别有一个栅。 对于双面栅器件，减小硅膜厚度，可以减小栅与沟道的距离，增强了栅对沟道的控制能力，也 就可以更好地改善器件的短沟道效应。双面栅器件的源漏间的泄漏电流主要是从硅膜中心部分发生 的，这是因为这部分距两个栅最远。图1 2 2 ( a ) 是硅膜较厚的双面栅m o s f e t ，图1 2 2 ( b ) 是硅膜较 薄的双面栅m o s f e t 。由图可知，减小硅膜厚度可以很明显地减小硅膜中心外的泄漏电流。但是硅 膜减薄将会增大器件源漏之间的电阻。因此这需要在克服短沟道效应和源漏之间的电阻之间折衷考 虑。图1 2 1 所示的厚的源漏区域，可以减小器件的源漏串联电阻。 理想状况时，沟道本身是不掺杂的，从而可以减小掺杂不均匀引起的影响，同时也可以减少杂 质散射。如果沟道不掺杂，那么器件的阈值电压就仅决定栅材料与硅膜之间的功函数差。冈此需要 选择一种功函数接近硅禁带宽度的材料作为栅介质。 ( 拦) ( b ) 图1 2 2 硅膜厚度不同的双面栅m o s f e t 模拟证明，双面栅m o s f e t 的尺寸能够缩d , n 常规m o s f e t 不能达到的量级栅长小于 2 5 r i m 左右。这时，双面栅m o s f e t 仍然能够保持很好的控制源漏问的泄漏电流的能力【4u ，4 ”。 双面栅m o s f e t 的设计，必须既能够克服基本的物理极限，又能够克服上艺制造方面的难度和 极限。这些都是在进行双面栅m o s f e t 结构设计时的难点。在进行双面栅m o s f e t 结构设计时 对关键的参数必须先计算、模拟，预先对结果作出估计。 f 面，对双面栅m o s f e t 结构设亡f 。时的两个关键问题进行分析：栅长尺寸缩小和阈值电压的控 制。在分析这两种设计时，将讨论涉及到的主要问题，以及相应的技术方案。 一阈值电压设计 在c m o s 技术中，由于电源电压的降低，必须降低器什的闽值电压，从而保证n m o s 和p m o s 都有对称的阈值电压。 为了保证足够的导通电流，将来器件的长沟道闽值电压最低必须大于o 2 v hj 。另外，在c m o s 逻辑电路中，n m o s 和p m o s 的闽值电压必须匹配( v t n = 一v 口) 。在体硅工艺中，采用n + 和p + 多 晶栅及合适的沟道掺杂浓度，就可以满足这个要求。但是对于烈面栅m o s f e t 或其他薄膜s o i m o s f e t ，这个问题就不再这么简单了。因为闽值电压主要是由栅材料的功函数来决定。 因此，人们作了许多研究上作，如采用不同的栅功函数，调节沟道掺杂浓度，不对称的双面栅 结构，改变沟道材料等。 1 薄膜m o s f e t 的阔值电压定义 在双面栅m o s f e t 中，闽值电压不能采用常规的表面势达到2 丸来定义。这是因为沟道区薄膜掺杂 浓度很低，并且基本是全耗尽的。因此，在考虑闽值电压时，需要分析源漏的势垒高度差和两个栅 极之间的垂直能带图( 如图1 2 3 ) 。 e s 长b o d y = = = = 毛 8 口q r 、 ” t e 图123 双面栅m o s f e t 的能带图 由于沟道硅膜很薄的器件，栅与沟道之间的相互耦合十分强，即使栅上的偏置改变很小，也会 影响到沟道中的电流，所以其孤阈值斜率可以接近于理想的亚闽值斜率( 6 0 m v d e c ) 。当栅上加上一 定电压时，源与沟道硅膜之间的势垒高度趋于0 ，此时，沟道表面靠近源处，就会出现反型层。由 于栅对沟道硅膜有很强的控制，因此，对于长沟道器件，阈值电压可以定义为使源与沟道硅膜间的 势垒高度为0 时的栅电压。 因比约为九一施；一约为坟，m 一( 丸一如) ；”1 其中，丸是栅材料的功函数：z h 是低于真空自由能值；e 硅材料的禁带宽度；在理想状况 时( 沟道硅膜足够薄，并且不掺杂) ，器件的闽值电压决定于栅材料的功函数和沟道的材料参数，而 与硅膜和栅氧化层的厚度无关。 2 栅材料的功函数 沟道硅膜不掺杂时，双面栅m o s f e t 的闽值电压主要由栅材料的功函数决定。n m o s 和p m o s 的阈值电压随着功函数的变化关系如图1 2 4 【。 蛐嘲l m c i i 泓l 图12 4n m o s 和p m o s 的阈值电压随着功函数的变化关系h 4 一l罄霎麓2l_l 在c m o s 电路中，需要低的并且相互对称的闽值电压。如果对于n m o s 和p m o s 采用相同的 栅材料，那么n m o s 和p m o s 的闽值电压会不匹配。因此，在c m o s 电路中，常常采用灯和p + 多晶硅分别作n m o s 和p m o s 的栅。这样，就可以得到相互对称的，而且大小合适的闽值电压1 4 ”。 另一种得到两种不同功函数的栅材料的方法是，采用禁带宽度很窄的半导体材料，如采用硅化 铬作为栅材料。n * - c r s i 和p + - c r s i 的功函数约为4 ，5 e v ，4 9 e v 。因此，采用c r s i 作为栅材料， n + 掺杂的c r s i 作为n m o s 的栅，矿掺杂的c r s i 作为p m o s 的栅，就可以得合适的阂值电压。 这些方法都需要复杂的工艺及新材料的研究和分析，因此具有相当的难度。 3 调节沟道掺杂浓度 除了通过调节栅的功函数，来得到合适的阈值电压，还可以通过调节沟道掺杂浓度调节闽值电 压。这与体硅m o s f e t 中，通过离子注入掺杂调节阈值电压的原理是一样的。相对而言，采用调节 沟道掺杂浓度米调节阈值电压比较简单。 i b o 出t n r n j i b o d y 岍m 】 图1 2 5 沟道掺杂浓度与阅值电压之问的关系 首先，仍然采用n + 和p + 多晶硅作为n m o s 和p m o s 的栅。如图1 2 4 所示，对n m o s 和p m o s 的沟道分别采用p 型和n 型掺杂，这样，闽值电压就可以提高到o 3 v 左右( 如图1 2 5 【4 1 ) 。但是当 器件的尺寸缩小时，需要很大的沟道掺杂浓度( 6 e 1 8 c m - 3 ) 才能使得阐值电压的漂移提高。 - - nf7 r 闽值电压的漂移可以简单表示为：k 、，约为5 _ d b o a y ：- _ 三旦型! 坐： c 。l 。x 这个方程中采取了有限的耗尽层近似，因此不完全精确。但是通过这个方程可以定性地推导， 随着栅氧化层厚度的减薄，需要更高的沟道掺杂浓度才能使得闽值电压保持不变。同理，随着硅膜 厚度的减薄，也需要更高的沟道掺杂度，才能保持沟道中的电荷数不变，才能保持阈值电压不变。 但是，沟道掺杂浓度很高时，会使栅与沟道表面的耗尽层电容增大，亚阈值特性将会变著。而且， 沟道中掺杂浓度高时，杂质散射增强，载流子的迁移率下降。 因为这影响到沟道中电荷数量，并进而影响器件的闽值电压，硅膜厚度的控制十分重要。计算 表明，硅膜厚度变化1 0 ，长沟道时的阈值电压将会变化3 0 m v ，这样的影响对于小尺寸器件是 无法接受的。 另外一种方法是，对n m o s 和p m o s 采用同一种栅材料，这种栅材料的功函数间于n + 和p + 多 晶硅的功函数之间1 4 。这样，只需要一次栅材料的淀积，可以简化工艺。由图1 2 4 可知，如果沟道 不掺杂，v r n ，- - v r p 将是0 4 v 左右。为了得到合适的栅电压，就需要进行相反类型的掺杂。如果 将阂值电压调节到o 2 v 左右，那么沟道的掺杂浓度只要7 e 1 7 e m 。左右( 如图1 2 6 1 4 1 ) 。当然这同 样会使亚闽值特性变差，载流子迁移率降低。 j_鹣日_o口奄cnmlllp t 嘶由 n r a 图i2 6 采用同一种栅材料时， t b 。d y 呻】 沟道掺杂浓度与闽值电压之间的关系 4 不对称双面橱m o s f e t 所谓不对称双面栅m o s f e t 是将两种不同材料分别作为双面栅m o s f e t 的上下两个栅，如图 1 2 7 所示。这样的不对称双面栅m o s f e t 的阈值电压，介于用这两种材料制作的对称双面栅 m o s f e t 的闽值电压之间1 4 ”。可以采用w p + 分别作为般面栅m o s f e t 的两个栅，这样，就可以得 到合适的阈值电压。如图1 2 4 ，对n m o s ，n + 多晶硅作为栅时，闽值电压太低，而用矿多晶硅作为 栅时，闽值电压太高。如果采用这两种材料作为不对称双面栅m o s f e t 的两个栅，调节硅膜及栅氧 化层的厚度，就可以得到合适的闽值电压。对于p m o s 的阈值电压，基本是相似。 图1 27 栅材料分别的n + 和p + 多晶硅的双由栅m o s f e t 与理想的对称的双面栅m o s f e t 相比，不对称双面栅m o s f e t 的导通时的特性稍逊点，短 沟道效应也变差了一些。但是，从工艺的角度，要使两种不同的材料层相互对准比较困难，因此制 作自对准的不对称双面栅m o s f e t 的_ l 艺十分复杂。 总是来说，对称双面栅m o s f e t 比不对称双面栅m o s f e t 具有优势。但是当阈值电压问题不 能解决时，不对称双面栅m o s f e t 可以是一种选择1 4 “。 5 新型的沟道材料 由于沟道材料( 通常是硅) 的禁带宽度决定了v t n h - - v a v ) 的值，如果采用禁带宽度小的材料， 就可以从另一方面米解决闽值电压的问题。 采用s i l x g e x 作为m o s f e t 的沟道材料，可以提高载流子的迁移率。但是，由于s i 与s i g e 价 带之间存在偏差，会使p m o s 管的阅值电压的漂移。因为s i 与s i g e 导带之间的偏差很小，n m o s 管的闽值电压不受影响。这样，采用同一种栅材料，就可以得到合适的阈值电压。 图1 2 8 所示是6 0 s i g e 得到的对称的o 2 v 的闽值电压。与前面的沟道掺杂和不对称双面栅 m o s f e t 不同的是，这种方法制作的双面栅m o s f e t 是完全对称的，而且两个栅具有相同的功函数 4 9 - 5 1 i 。 但是在上艺中制作s i g e 沟道具有相当的难度，因为在进行栅氧化时，会引起界面陷阱，使得 g e 原子在栅氧化层侧堆积。因此，需要更进一步的研究。 6 g om o of r a e t l o ni r t 8 1 1 e x c h a n n e l 图1 28s i o4 g e o6 作为沟道材料，可以得到对称的0 2 v 的闷值电压【4 】 二总结 以上分析了双面栅m o s f e t 在尺寸缩小时的一些限制因素及难点。采用合适的器件设汁，已经 可以得到栅长小于1 0 n m 的双面栅器件 4 l 。随着硅膜厚度的减薄，栅长的最小尺寸还可以进一步缩小。 栅长的最小尺寸主要受到截止时泄漏电流的限制。另外还要受到源漏掺杂浓度梯度、低的阈值电压 等的限制。 对双面栅m o s f e t ，很难得到合适的对称的阂值电压。这可以通过变化两个栅的功函数差、调 节沟道掺杂浓度、不对称的双面栅结构、新型的沟道材料等方法来加以解决，得到合适的阈值电琏。 当然，这些技术目前都具有相当的难度。 第三节本论文的主要工作 本论文完成的主要工作是以下四个方面： 第一，在已有的双面栅m o s f e t 研究的基础上，根据等电位近似及硅膜的体反型机理，对双面 栅m o s f e t 的理论模型进一步分析模拟。在研究双面栅m o s f e t 的输入输出特性的基础上，还分 析了跨导及亚闽值特性。具体分析了器件的各个结构参数对器件各项性能的影响。在这些基础上， 建立双面栅m o s f e t 的s p i c e 外部表格模型，为将双面栅器件运用于电路设计、模拟建立基础。 第二，在二维器件模拟软件m e d i c i 中，建立了双面栅m o s f e t 的结构及网格划分。模拟了双 面栅m o s f e t 的各个器件特性，与前面的理论计算相比较，来验证我们建立的理论模型。然后分析 了双面栅m o s f e t 结构中可能存在的上下栅不对准问题，以及垂直双面栅m o s f e t 的沟道中可能 存在的梯度场，分析它们的影响。 第三，在归纳、分析、比较了这几年来世界各国研制的各种新型的双面栅m o s f e t 的结构及其 简单的制作工艺。它们各自的优缺点的基础上，结合具体i + 艺条件，设计完成了几种新型结构的双 面栅m o s f e t 。 第四，因为是国防重点实验室的基金项目，在上一步的几种方案中，选择实际工艺适合重点实 验室条件的两种结构：一种是基于s o i 及键合工艺水平双面栅m o s f e t ，一种是基于双极工艺的垂 直烈面栅m o s f e t 。然后针对这两种具体结构，根据2 4 所具体的工艺条件，设计了详细的上艺及 版图等。由丁时间的限制，目前只对基于双极工艺的双面栅m o s f e t 进行了流水实验。 第二章双面栅m o s f e t 的结构分析及设计 烈面栅m o s f e t 相对于常规m o s f e t ，具有速度高、功耗低、跨导较高、阈值特性优异、短 沟道效应好等许多优点。双面栅m o s f e t 之所以能有这样优异的性能，主要是因为双面栅m o s f e t 具有上卜两个栅，增强了对沟道的控制能力。当硅膜较薄时，将会出现体反型，整个硅膜处于强反 型，硅膜中电势基本相等，使得导电沟道处于体内。然而上栅一沟道硅膜一上栅一衬底这样的多层结构 在工艺的实现中，不仅复杂，而且有很大的难度。本章中首先洋细阐述了这几年来世界各国研制的 各种结构的双面栅m o s f e t 的结构及其简单的制作工艺。然后在借鉴和分析比较的基础上，设计了 比较适合目前实际丁艺条件的几种烈面栅m o s f e t 的结构及相戍的工艺，比较各自的优缺点。 第一节新型的双面栅m o s f e t 结构 一概述 世界各国的学者都在不停地探索和研究各种不同结构的双面栅m o s f e t ，分析各种参数对双面 栅m o s f e t 的性能的影响。1 9 9 7 年h o n - s u m p h i l i p w a n g 等人提出了一个“理想”的双面栅m o s f e t 廊该具有的三个特征，这成为了判断双面栅m o s f e t 结构的一个标准。“理想”的双面栅m o s f e t ( 图2 1 1 ) 应该具有的以下三个特征【2 1 】： 图211 理想的双面栅m o s f e t 的结构示意图 1 导电沟道的掺杂浓度一致，且与栅k 相比很薄( f 。l 4 ) 。这样的结构可几乎完全消除短 沟道效应。 2 源和漏呈纺锤型，且与硅膜厚度相比较厚。这样的结构可以增大源漏厚度，从而减小源漏寄 生电阻。 3 正、背面栅能够完全自对准，并且与源漏无覆盖。如果上下栅对源漏有覆盖，将会产生覆盖 电容，使沟道电流损失，从而影响器件最终的性能。 近儿年来双面栅m o s f e t 在其基本的结构基础上发展出了更多性能优良的新型结构和制作工 艺。到目前为止，还不能说哪一种结构和制作工艺是最佳的。因此本节主要是详细阐述各种烈面栅 结构的特点、性能的优缺点和工艺实现上的难度等，对它们进行比较和分析。 双面栅m o s f e t 的结构形式复杂，实现的工艺方法也各式各样。为了方便起见，下面对它们作 简单的分类。 虽简单的是将双面栅m o s f e t 可以分为两种：水平双面栅m o s f e t 和垂直舣面栅m o s f e t 。 1 水平双面栅m o s f e t ，导电沟道平行于硅衬底，一般是在特殊的s o l 基片上经过淀积多种薄膜 层形成的；或者是通过无定形a s i 再结晶，形成夹在中间的硅膜层。 2 垂直双面栅m o s f e t ，导电沟道垂直于硅衬底，其优点是沟道长度决定于硅膜的厚度，而与光 刻的精度无关。垂直结构的双面栅m o s f e t 比较容易实现上下栅的自对准。 根据沟道在硅片上的不同的取向( 这种分类方法比较直观) ，双面栅m o s f e t 可以分为下面j 种结构( 如图2 12 所示) ： 1 水平结构，称为p l a n a r d g ；电流方向平行于硅衬底，上r 栅也都平行于硅衬底。 2 垂直结构( 1 ) ，称为f i n f e t ；但电流方向平行于硅衬底，上下栅垂直于硅衬底。 3 垂直结构( 2 ) ，称为s i d e w a l l s g t ；电流方向也垂直于硅片，上下栅也垂直于硅衬底。 图412 各种爿；同沟道取向的双面栅m o s f e t 二采用衬底选择外延和牺牲层技术，制作的水平双面栅m o s f e t 2 5 l 这种水平双面栅m o s f e t 的基本步骤是，先采用牺牲层，形成下栅一沟道一上栅这样的。= 层结 构；然后先去掉沟道的牺牲层，采用选择外延形成器件的单晶沟道和源漏区；然后再去掉上下栅的 牺牲层，再同_ 步制作器件的上下栅氧化层和栅。这样形成的上下栅肯定是自对准的。 大致的工艺流程为( 如图2 1 3 ) ： 1 在衬底上依次淀积二氧化硅( 较厚) ，氮化物，二氧化硅( 较薄) ，无定形硅a - s i ，以及二氧化硅 ( 较薄) ，刻蚀出器件的有源区，如图2 1 3 ( a ) 。 2 在第一步基础上再淀积一层较厚的氮化物，然后用r i e 的方式在源漏区刻蚀出两个凹槽，如图 2 1 3 ( b ) ，其中无定形q s i 作为牺牲层，在后序工艺中被腐蚀掉，以形成穿空的隧道，这个隧道 的最后形成沟道所以隧道的长度、宽度、高度就决定了器件沟道的长度l g 、宽度w g 、厚度t s i ， 因此要精确控制。 3 用k o h 将隧道中的无定形a s i 腐蚀掉，这样就形成一条被氧化层所环绕的穿空隧道，如图2 13 ( c ) 。 4 在底部氧化层上开一个外延窗口，以衬底硅为基础，进行选择性横向外延，那么外延硅会沿着窗 口往上生长，一直穿过隧道到达另一面的凹槽，如图2l3 ( d ) ，然后继续生长直到填满两个凹槽 区域，如图2 13 ( e ) 。 5 接着，以两侧的氮化物为停止面，用c m p 方法将多余的外延硅去掉；分别用h 3 p 0 4 和h f 腐蚀 掉氮化物和二氧化硅。这样纺锤型的源漏区以及悬空的沟道完全暴露在外面了，就制备完成了， 如图2 1 3 ( f ) 。 6 最后环绕悬空的沟道生长栅氧化层，淀积多晶硅并刻蚀出图形。因为沟道是先确定好的，上下栅 也是同一步制作形成，所以上下栅肯定是自对准的，如图2 1 3 f g ) 。 7 后序丁艺制作。 文献中列出的这种结构的双面栅m o s f e t 的数据为：硅膜厚度可达2 5 n m ，栅氧化层厚度仅为 5 n m ，栅长为o 6 6 u m ，饱和源漏电流可达5 0 0o a o m ( v $ 一v m = 1 2 v ，v d s = 1 5 v ) 。 ( a ) 。圈同 w d l _ 一l j o x e l e s i l i c o ns u b s 盯a t e ( c ) s w i n d o ￥v f ( b ) ( d ) ( f ) ( g ) 图2 13 采用衬底选择外延和牺牲层技术，制作的水平双面栅m o s f e t 的大致工艺流程 这种结构的双面栅m o s f e t 的优点是，可以得到上下栅自对准的，及纺锤型的源漏区的器件； 但是其制作工艺难度很大，如通过选择横向外延的方法来形成器件的源漏区和沟道区有相当的难度， 尤其是隧道的宽度仅为几十纳米；另外形成了沟道及源漏后，要在栅上生长一层薄的栅氧化层而 在源漏上要形成厚的氧化层，以减小覆盖电容，这也有相当的难度。 0 圈幽mo 三通过沟道横向选择外延制各源漏区的水平双面栅m o s f e t 2 q 这种水平双面栅m o s f e t 的基本步骤是，先采用键合及减薄技术形成下栅一沟道一上栅这样 的三层结构；然后同一步刻蚀这个三层结构，形成自对准的沟道和上下栅；然后再通过横向选择外 延技术形成器件的源漏区。 ( b ) e ) 图21 4 通过沟道横向选择外延制各源漏区的水平取面栅m o s f e t 的大致工艺流程 大致的工艺流程为( 如图2 1 4 ) ： 1 在s o l 衬底( 即硅衬底上有一层较厚的埋层氧化层和一层很薄的硅膜) 上生长一层薄的氧化层作 为下栅氧化层，然后在其上淀积多晶硅作为下栅极，随后再在多晶硅上淀积一层较厚的低温热氧 化层( l 1 、o ) ，并对其表面化学机械抛光( c m p ) ，用于下一步键合使用，如图2 1 4 ( a ) ： 2 在另一个普通硅片表面淀积一层氧化层，作为支撑硅片。然后将上一步做好的整个硅片倒置过来， 使抛光的l t o 层与支撑衬底上的热氧化层键合。先将s o i 硅片的衬底腐蚀掉，再将s o l 的埋层 氧化层腐蚀掉，使得薄硅膜暴露出来。在硅膜上生长一层薄氧化层作为上栅氧化层，再在薄氧化 层上淀积多晶硅作为上栅极，如图2 1 r 4 ( b ) 。 3 淀积一层隔离氧化层和一层隔离氮化物；以抛光的l t o 为停止层，同一步刻蚀沟道硅膜和r 下 栅，这样上下栅和沟道肯定是自对准的，如图2 1 4 ( c ) 。 4 利用高掺杂浓度的上下多晶栅与轻掺杂浓度的沟道区之间的氧化速率差异，在多晶硅的边墙1 生 长一层较厚的隔离氧化层，而在沟道硅膜两侧只生长很薄的一层氧化层，如图2 1 4 ( d ) 。 5 刻蚀掉沟道两侧的薄氧化层，然后在暴露的沟道两侧进行选择性外延，由于外延硅的生长受到表 面处二氧化硅的抑制，所以外延形成的源漏区呈现如图2 1 4 ( d 所示的形状；然后在外延硅的表 面上淀积层薄硅化物是为了减少源漏区的寄生阻抗。 6 后序工艺制作。 文献中列出的这种结构的双面栅m o s f e t 的数据为：硅膜厚度为2 0 n m ，淘道掺杂浓度较低为 l 1 0 c m ，上下栅采用的是p + p o l y s i o5 g e o5 ，饱和源漏电流可达0 8 m a i a m 。 这种结构的双面栅m o s f e t 的优点是，可以得到上下栅自对准的，及纺锤型的源漏区的器件； 但是其制作工艺难度也很大，如通过选择横向外延的方法，在很薄的沟道硅膜两侧形成器件的源漏 区，有相当的难度。另外，要在沟道两侧生长薄的氧化层，而在上下多晶栅两侧形成厚的氧化层， 也有相当的难度。 四垂直双面栅m o s f e t l 2 7 1 这种结构的双面栅m o s f e t 是贝尔实验室研究制作的，他们在1 9 9 9 年和2 0 0 0 年分别制作了 v r g - n m o s f e t ( v e r t i c a lr e p l a c e m e n tg a t e ) 和v r g p m o s f e t 。这种双面栅m o s f e t 的沟道垂直 于硅衬底，栅分别在两侧，而源漏区分别在上面和下面。它的基本步骤是。先形成下面的埋层源，漏 区，再通过选择外延米形成沟道硅膜区，再形成上面的源，漏区；然后同一步制作两个栅极。 大致的工艺流程为( 如图2 1 ，5 ) ： 1 在硅衬底上外延形成n + 漏极，并在漏极上淀积一层薄的二氧化硅作为扩散阻挡层，将磷硅玻璃 ( p s g ) 、氮化物、未掺杂的二氧化硅、氮化物、磷硅玻璃、氮化物依次淀积在薄的二氧化硅层 上，如图2 ，1 5 ( a ) 。 2 以n + 漏极为停止面，刻蚀一个垂直的穿通各层薄膜的窗口，如图2 1 5 f b ) 。 3 在窗口处n + 外延处，进行掺硼外延，形成的结果，如图21 5 ( c ) 。 4 以最上层的氮化物为基准面，进行c m p ，去掉多余的外延硅，如图2 1 5 ( d ) 。 5 淀积多晶硅形成n + 源极，并在其上淀积一层氮化物，如图2 i 5 f e l 。 6 以未掺杂的氧化层为停止面，将源极和上层p s g 一同刻蚀出图形，如图2 1 5 ( f ) ； 7 ，再淀积一层氮化物，刻蚀出图形，从而使得未掺杂的氧化层暴露在外面，如图2 1 5 ( g ) 。这时上 层剩下的磷硅玻璃已被包在氮化物隔离层中。 8 以隔离层和下层p s g 上的氮化物为停止面，将未掺杂的氧化层腐蚀掉，使得沟道暴露出来，如 图2 1 s ( h ) 。 9 在暴露的沟道侧面生长一层薄的二氧化硅为栅氧化层，淀积多晶硅栅，如图2 1 5 0 ) ；然后刻蚀出 多晶栅图形，如图2 1 5 “) 。 1 0 后序工艺制作。 眵z ，彤形少p s a , , n i tr f d c7 id r ；, ；x p s g7 , n + s is u b s tr a t e ( a ) 匠z 卫弦匠弦z 磁 o x id e ；n i tr id e 7 芴荔赢廖蒡芴 n + sis u b s t r a t e ( c