（微电子学与固体电子学专业论文）硅肖特基源漏mosfet的模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文对硅基肖特基源漏m o s f e t ( 简称s b s d m o s f e t ) 进行模拟研究。 s b s d m o s f e t 用肖特基接触代替了p n 结来做m o s f e t 的源漏区。这种结构器件 能有效降低困扰常规m o s f e t 的短沟效应和寄生的双极效应，能大幅度减小器件 尺寸。其制备工艺简单，避免了离子注入工艺和退火步骤。 首先，文中分析了s b s d m o s f e t 的电流输运机制。根据其结构特点，我们 可以将其看作是两个背靠背的肖特基二极管。源漏区肖特基接触界面的特性和常规 肖特基二极管相似，电流的输运主要以热电子发射和隧道效应为主。 其次，本文通过二维模拟软件d e s s i s 模拟了体硅s b s d - m o s f e t 的基本伏 安特性，模拟结果显示，体硅s b s d m o s f e t 有着较大的反栅压泄漏电流，而反 栅压泄漏电流包括两部分：来自源结的热发射泄漏电流与来自漏结的隧穿泄漏电 流。 最后，我们的模拟发现，普通s o i 结构s b s d m o s f e t 能有效阻挡来自源结 的热电子发射泄漏电流，但仍不能阻挡来自漏结的隧穿泄漏电流。为此本文给出 一种侧墙不对称s o l 结构s b s d m o s f e t ，该器件获得了良好的开关特性，漏侧 较厚的侧墙保证了小的泄漏电流，同时源侧较薄的侧墙能获得大的驱动电流。栅 长和硅材料掺杂浓度对侧墙不对称s o l 结构s b s d - m o s f e t 的特性影响很小，该 优点表明，侧墙不对称s o i 结构s b s d m o s f e t 的研制能获得较高的成品率。 关键词：s b s d m o s f e t肖特基接触侧墙模型和模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t as i m u l a t i o n s t u d y o fm e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o rw i t h s i l i c o n - b a s e ds c h o t t k yb a r r i e rc o n t a c t sf o rs o u r c ea n dd r a i n ( s b s d m o s f e t ) i s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r i n s t e a do fu s i n gp nj u n c t i o n ，t h es o u r c ea n dd r a i nr e g i o n sa r e c o m p l e t e l yr e p l a c e db ym e t a l - s e m i c o n d u c t o rc o n t a c t s t h ed e v i c es i z ec a l lb eg r e a t l y s h r u n kw i t he f f e c t i v e l ys u p p r e s s i n gs h o r tc h a n n e le f f e c ta n dp a r a s i t i cb i p o l a re f f e c ti n c o n v e n t i o n a lm o s f e t a l s oi th a sf a b r i c a t i o na d v a n t a g e sa v o i d i n gt h es t e p so fi o n i m p l a n t a t i o n a n da n n e a l i n ga th i g ht e m p e r a t u r e f i r s t l y , t h et r a n s p o r tm e c h a n i s mo fs b s d m o s f e t i sa n a l y z e d t h et r a n s i s t o rc a n b er e g a r d e da st w ob a c k t o b a c ks c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa tt h e m e t a l s ii n t e r f a c ea r es i m i l a rt ot h a to fs c h o t t k yb a r r i e rd i o d e t h e r m i o n i ce m i s s i o na n d q u a n t u mt u n n e l i n g a r et h em a i nc u r r e n tc o n d u c t i o nm e c h a n i s m s e c o n d l y , t h eo p e r a t i o n a l m e c h a n i s mo fb u l ks is b s d - m o s f e td e v i c ei s s i m u l a t e da n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a d e rw i t hd e v i c es i m u l a t i o n p r o g r a m d e s s i s 1 1 1 es i l u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e r ei sg r e a tl e a k a g ec u r r e n tw h i l ei t s g a t ei si nr e v e r s eb i a si nb u l k s is b s d m o s f e t t h el e a k a g ec u r r e n tc o n s i s t so ft w o p a r t s ：t h et h e r m i o n i c e m i s s i o nf r o mt h es o h l - c ea n dt h et u n n e l i n gc u r r e n tf r o mt h ed r a i n ， f i n a l l y ，o u rs i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tc o n v e n t i o n a ls o is b s d m o s f e tc a n e f f e c t i v e l ys u p p r e s st h e r m i o n i ce m i s s i o nl e a k a g ec u r r e n t ，b u ti t s t i l lc a nn o ts u p p r e s s t u n n e l i n gl e a k a g ec u r r e n t t h e r e f o ra na s y m m e t r i cs i d e w a l ls t r u c t u r ei sp r e s e n t e d i nt h i s p a p e r , i nw h i c h at h i c ks i d e w a l la td r a i ns i d ep r o v i d e sl o w t u n n e l i n gl e a k a g ec u r r e n t ， a n da t h i ns i d e w a l la ts o u r c es i d ei n s u r e sl a r g ed r i v ec u r r e n t a d d i t i o n a l l y ，t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tg a t el e n g t ha n dd o p i n gc o n c e n t r a t i o no nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c ei sv e r ys m a l l t h e s ea d v a n t a g eh i n t st h a ta s y m m e t r i cs i d e w a l ls t r u c t u r es o is b s d m o s f e tc a n h a v eah i 班y i e l di nm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：s b s d m o s f e t s c h o t t k yc o n t a c t s i d e w a l l m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n 创额性声明 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：沩谴府 。_ 一 日期麴堕! j ：红 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：蛰缓盛 导师签名：霉筮递：) 一 目期z o p s - j 、2 7 日期 壁! ! ：f ：墨! 第一章引言 第一章引言 1 1 肖特基源漏m o s f e t 概述 自从1 9 5 8 年世界上第一块集成电路在美国的t e x a s i n s t r u m e n t s 和f a i r c h i l d 两家公司诞生以来，集成电路技术在以惊人的速度发展。过去四十多年集成电路 的发展主要集中体现在m o s f e t 特征尺寸的减小上。通过减小m o s f e t 的特征尺 寸，晶元上的元件个数逐渐增加，集成度大幅度提高。事实上，当m o s f e t 特征 尺寸接近o 1 岬时，芯片制造的复杂性和难度很大，原有的常规m o s f e t 的理论 基础、器件结构、关键工艺、集成技术等一系列问题对于器件设计和制各者而言 是个巨大的挑战。而且对于常规m o s f e t 而言，除了制造工艺造成的问题外，随 着沟道长度的减小，源漏区的耗尽层宽度变得可以与沟道长度比拟，此时沟道屯 势的两维分布影响显著，缓变沟道近似不再成立，短沟效应出现，使得理论上， 有效沟道长度也只能降至7 0 n m ”。 为了消除短沟效应，我们需要采用新型m o s f e t 结构，该结构必须具有一个 超薄、高电导的源漏结。围绕这一问题已经开展了很多有意义的研究，例如：采 用固态扩散( s o l i dp h a s ed i f f u s i o n ) 的方法形成超浅结可以将栅长降至4 0 h m 2 1 ； s o i ( s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) 结构提供了较好的绝缘性和降低了寄生电容，可以将栅 长降至5 0 h m t 3 ；新型的双栅结构也可以将栅长降至3 0 h m n 。 还有一种值得我们十分关注的形成超薄、高电导的源漏结的方法是采用隧道势 垒作为载流子的注入。形成隧道势垒的方法有两种：异质结和肖特基结。s i g e s i 异质结做源漏的器件栅长可降至1 0 0 r i m 以下h 】。而本文将对肖特基接触做源漏结 的肖特基源漏m o s f e t 睁“】( s c h o t t k yb a r r i e rs o u r c e d r a i nm o s f e t ，简称 s b s n m o s f e t ) 做详细的研究。 与常规m o s 不同，s b s d - m o s f e t 用肖特基金属代替了高掺杂的p n 结做 m o s f e t 的源漏肖特基接触有效地减小了在器件尺寸大幅度降低时困扰常规 m o s f e t 的短沟效应和寄生的双极效应，主要的优势体现在： 1 、金属源漏区接触的高电导性使源漏串联电阻减至最小，避免了常规m o s f e t 中p - n 结源漏所需的掺杂； 2 硅肖特基源漏m o s f e t 的模拟研究 2 、肖特基接触的源漏有效地将结深做到零，最低限度的减小了源漏空间电荷 区的扩展； 3 、栅压和源漏区的肖特基势垒决定了沟道中的电势分布，硅材料无需掺杂； 没有少数载流子注入的肖特基接触钳制了p + d r a i n n - s u b s l x a t e 结，从而寄生的 p + 一d r a i r d n - s u b s t r a t e p + - s o u r c e 将不存在，困扰c m o s 电路的闩锁效应消失。 此外，s b s d - m o s f e t 制备工艺十分简单，不需要常规m o s f e t 制备工艺中 所需的p n 结高温扩散，这使得有利于形成更好的氧化层，更好的控制几何结构， 适用于低温工艺，并可以在不易形成p n 结的半导体材料( 如c d s 、s i c ) 上制备 m o s f e t 。 1 9 6 8 年m p l e p s e l t e r 和s m s z e 1 2 1 第一次提出了用肖特基接触代替p - n 结做 源漏接触的s b s d m o s f e t 结构。其结构如图1 1 所示，源漏区为p t s i s i ，栅氧 为s i 0 2 ，栅为a i 。l e p s e l t e r 和s z e 测试表明该器件在常温( 3 0 0 k ) 和液氮( 7 7 k ) 条件下都有不错的电流特性。 图1 1s b s d - m o s f e t 的结构图 9 0 年代以来，j r t u c k e r 和j ps n y d e r 等人对s b s d m o s f e t 进行了深入的 研究。研究表明，对于硅器件，s b s d - m o s f e t 已经成功的可以将器件的沟长降 至1 5 n m 左右 1 3 - 1 8 1 。由此可见s b s d m o s f e t 的出现为不断降低m o s f e t 的特征 尺寸提供了途径。避免了困扰常规m o s f e t 的短沟效应，对于v l s i 而言这是十 分鼓舞人心的。 虽然具备有上述的种种优点，但s b s d m o s f e t 器件并没有得到足够的发展， 其原因在于，s b s d m o s f e t 的发展遇到了两个障碍：关态泄漏电流过大和开态 电流较小【1 9 1 【2 0 】。产生这两个障碍的原因在于： 1 、关态泄漏电流过大，这是s b s d m o s f e t 发展过程中最主要的障碍。 s b s d m o s f e t 特有的泄漏电流使器件的关态特性变差，器件无法进行正常的开 第一章b i 言 关动作。后文将会对s b s d m o s f e t 的关态泄漏电流进行详细的分析，并将提出 相应的器件结构改进措施，以消除其关态泄漏电流。 2 、开态电流较小。为使器件容易开启，并使开态电流变大，需要寻找好的金 属材料作为肖特基接触材料以形成较低的势垒高度。另外，器件结构对开态特性 也有较大影响。 1 2 几种s b s d m o s f e t 结构 自1 9 6 8 年m p l e p s e l t e r 和s m s z e 第一次提出s b s d m o s f e t 这种结构以 后，针对其优缺点，f j h u a n g 等人又相应的提出了s b s d m o s f e l - 的改进结构。 这对于我们的s b s d m o s f e t 的研究有着一定的参考价值，以下我们做简要的介 绍和分析。 l 、肖特基隧道晶体管( s c h o t t k y t u n n e l t r a n s i s t o r ) 和其它s b s d m o s f e t 相比，1 9 9 4 年k i m u r a 提出的肖特基隧道晶体管f 2 l 】的 区别在于：漏极的肖特基接触金属和栅氧化层上的金属有交叠区域( 也就是说用 来隔离漏和栅金属的侧墙s i d e w a l l 上下两侧均有金属) ，如图1 2 所示。 - i 鼍1 f 嗣s i q 丑一。舅一 ：孟i 吣。一b 。，晔。鼠 t h r a l l j l ：m c t i o n 图1 2s c h o t t k y t u n n e lt r a n s i s t o r 普通s b s d m o s f e t ，由于没有交叠区域，栅压无法有效地加在肖特基势垒 上形成n + 积累层便于电子隧穿。换言之，栅压无法使s i d e w a l l 下方的形成导电沟 道，器件不便打开，开启电压较高( v d s = o 2 - 2 v ) 。改进后的肖特基隧道晶体管的 交叠区域使得栅压大大加强载流子的积累，容易形成n + 积累层，从而致使器件容 易开启，即使v o s = 0 v 器件也会有明显的电子隧穿。 2 、互补型硅s b s d m o s f e t 2 0 0 0 年j k e d z i e r s k i 给出了针对常规c m o s 的互补型s b s d m o s f e t 【2 2 。为 4 硅肖特基源漏m o s f e t 的模拟耐f 究 了优化s b s d - m o s f e t 的特性，降低接触的串联电阻，源极的肖特基势垒需要尽 口t 能低，所以需选用可形成低势垒的金属材料。互补型s b s d m o s f e t ，n m o s 选用了e r s i l7 ( p 口。3 0 2 8 0 3 2 e v ) ，p m o s 选用p t s i ( o b p = 0 2 4 e v ) 。图1 _ 3 给出了 k e d z i e r s k i 制备的n m o s ，源漏接触为e r s i l7 ，栅长1 5 n m ，栅的两侧各有1 0 n m 的 s i 0 2 形成的侧墙。 管 量 釜 图13e r s i i7 源漏n 沟s b s d m o s f e t 的s e m 图像 v - ( v 图1 4 互补型硅s b s d m o s f e t 的伏安特性 互补型s b s d m o s f e t 的n 沟和p 沟器件都有着不错的开态特性，如图1 4 。 但这种器件在栅极反向偏压时，器件却有着严重的关态泄漏电流，导致器件难以 进行正常的开关工作。该文献并没有给出关于关态泄漏电流的实验结果和分析。 3 、双极s b t f t 为解决s b s d m o s f e t 反偏栅压时的关态泄漏电流过大这个问题，改善器件 的开关特性，2 0 0 2 年h o n g c h i n l i n 等人提出了一种带有f i d ( f i e l d i n d u c e d d r a i n ) 第章引言5 层的s b t f t t 2 3 】器件，f i d 层的厚度为x d 。该f i d 层受控于器件的钝化氧化物上方 的场板，器件的开启和关闭都决定于场板的电压，如图1 5 所示。该器件获得了优 越的特性，其开关态电流比达1 0 6 ，其反栅压泄漏电流得到了遏制，如图1 6 所示。 但该器件同时也有下面的缺陷：1 、为抑制反栅压泄漏电流，该器件的f i d 层厚度 x d 大于1 岬以上，这使器件尺寸大大增加；2 、为保证器件能够开启工作，该器 件必须有一块场板，这增大了工艺难度，也使该类器件难以集成化。 ，函板 键让氧化 毫 一 卜叫 x d 图1 , 5 带有f i d 层的s b t f t v 包m m 图1 6 n 沟s b t f t 的转移特性 4 、r a s c - m o s f e t 2 0 0 2 年y - h ，z h a n g 提出的r a s c m o s l 2 4 l ( r e c e s s e dc h a n n e la n d a s y m m e t r i cs d s c h o t t k yc o n t a c t s ，简称r a s c ) 。它主要有两个特点：凹栅和源漏分别采用不同势 垒高度的金属。凹栅的采用有效地减小了短沟道效应( 如图l ，7 ) 。不对称的源漏 肖特基接触即在漏极有较低的电子势垒，而在源区有较高的电子势垒，源漏区分 别采用p t s i ( 中协= o 9 e v ) 和e r s i 2 ( o = o 2 e v ) 肖特基接触 6硅自特基源漏m o s f e t 的模拟研究 s 图1 7 r a s c - m o s f e t 结构图 a 粕v o b 俨( 、，) 图i 8r a s c - m o s f e t 的转移特性 r a s c 结构阻止了漏极电场对于源极的影响，有效地减小了短沟道效应。但同 时注意到，虽然该结构器件消除了来自源结的热电子发射关态泄漏电流，但并不 能有效地消除来自漏区的隧穿泄漏电流，栅压为负时仍有很大的泄漏电流( 如图 1 8 ) ，该反栅压泄漏电流会严重影响器件的开关特性。 1 3 本文的主要工作 本文主要对s b s d m o s f e t 进行了以下几方面的研究： 1 、我们探讨了肖特基接触的载流子输运机制，并在其基础上给出了 s b s d m o s f e t 的基本结构模型，分析了不同偏压下能带的变化和电流的输运过 程，给出了电流输运方程； 2 、利用i s e 公司的d e s s i s 软件，采用二维数值的方法，对b u l k 硅结构 s b s d - m o s f e t 进行了数值模拟分析，并对其泄漏电流作了分析，并阐明其产生 机理： 3 、对器件结构进行改进，利用d e s s i s 软件模拟s 0 1s b s d - m o s f e t ，分析其 侧墙厚度对器件特性的影响，最后提出种侧墙不对称s o i s b s d - m o s f e t 。 誊_cs誉罢，o c 暮o 茎三堂墨旦曼p m o s f e t 的载流子输运机理及模型 第二章s b s d m o s f e t 的载流子输运机理及模型 肖特基源漏m o s f e t 用肖特基接触代替了p n 结来做m o s f e t 的源漏区，根据 其结构特点，我们可以将其看作是两个背靠背的肖特基二极管。源漏区肖特基接触 界面的特性和常规肖特基二极管相似，载流子越过肖特基势垒主要靠热电子发射和 隧道效应。 2 1 肖特基接触及载流子输运机理 2 1 1 肖特基接触势垒高度 s b s d m o s f e t 的源漏均为肖特基接触，在此我们首先讨论金属和s i 的肖特 基接触。当金属和半导体接触时，由于金属和半导体之间接触电势差的存在，在 金属一半导体界面处就形成了势垒。金属和半导体接触的耗尽层类似于单边突变 p n 结的耗尽层。肖特基效应是指肖特基势垒高度因感生镜像力的作用而降低的现 象【2 5 。 金属和半导体接触的肖特基势垒高度g 九可以用下式表征2 q ( 以n 型半导体 为例) ： q 。= ，一z 。一口i e 。l _ ga ( 2 ，1 ) 、焉一1 葫一涟r 一 其中： 1 、第一项为金半功函数差( 为金属的功函数，以为半导体的亲和能) ： 2 、第二项为半导体中的电场造成的势垒降低( 口为经验系数，一般介于 1 5 一一3 5 r i m 之间【5 l ，e 。为表面处的电场强度) ； 3 、第三项为镜像力造成的势垒高度的降低量。 需要特别指出的是，对于某种金属与半导体之间肖特基接触，其肖特基电子 势垒高度与肖特基空穴势垒高度之和等于半导体材料的的禁带宽度，即 q 垂h + q 孛b ，2 e g 2 1 2 肖特基接触的导电机制 在金属和半导体接触内的电流输运主要依靠多数载流子，这与p n 结的情形是 不同的，在p n 结内是两种载流子参与输运过程。图2 3 给出了n 型半导体在正偏 条件下( 半导体一侧加正电，金属一侧加负电) ，载流子( 电子) 的五种基本输运 过程1 ：, 7 - 3 2 1 ： 8硅肖特基源漏m o s f e t 的模拟研究 ， j 对s e n g c o n a h c 如r 上一 o 卜 ，。_ e c k 缓麟j i ， it jj 图2 1 正向偏置f 肖特基接触载流子的输运过程 1 、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中； 2 、电子穿过势垒的量子隧穿； 3 、在空间电荷区的复合； 4 、空穴从金属注入半导体，等效于中性区的复合： 在接触周围的高电场作用下产生的边缘漏泄电流或在金属一半导体界面处的 陷阱产生的界面电流( 图中未绘出) 。 对于n 沟s b s d m o s f e t 而言，源极一侧的肖特基势垒在栅压为零或较小时 ( 栅下的沟道未形成) ，肖特基空穴势垒高度较大，阻碍载流子的流动，载流予主 要靠热发射越过肖特基电子势垒，这时源和漏之间相当于两个背靠背的肖特基二 极管；当栅压足够大使得沟道反型时，变为n 型势垒，势垒变薄，载流子主要靠 隧道效应穿过势垒，进入沟道。 2 1 3 电流输运方程 我们可以将s b s d m o s f e t 看作是两个背靠背的肖特基二极管的金属一半导 体接触，由于所形成的势垒高度和宽度的不同，其导电机制也会不同。当肖特基 势垒耗尽区宽度很宽时，载流子很难靠隧穿通过势垒，只能越过势垒的最大值， 此时的载流子输运以热电子发射为主。 1 热电子发射理论 当肖特基势垒较厚时，此时势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒高度。 载流子只要有足够的能量超越势垒的顶点，就可以通过势垒。热电子发射理论是 基于以下假定推导的田j ： ( 1 ) 势垒高度q 声s 。远大于七孔 ( 2 ) 在决定发射的平面建立起热平衡； ( 3 、净电流的存在不影响这种平衡。由于作了这些假定，使得我们可以将两种 塑三童曼皇曼旦：丛鱼璺呈! 的重煎子箍逗机理及模型9 电流迭加起来：一种是从金属到半导体的电流，另一种是从半导体到金属的电流。 电流密度表达式如下： m k 。“丁2 唧( - 纠e x 梧) 一， “戌x p ( 等 e x p ( 鞠 k 。们2 d 一等 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 2 、隧穿理论 对于开启状态或反栅压较大时的s b s d m o s f e t ，其源漏肖特基势垒由于栅 极的调制作用将会变得很薄，这时隧穿方式将占主导地位，成为主要的输运过程。 因此式( 2 - 2 ) 必须要加以修改，使之包含热电子发射扩散分量和隧穿分量。假设输 运电流包含两部分：由金属流向半导体的电流j m s 取l 由半导体流向金属的电流j 如， 则有 3 4 1 ： j 。= 一乏 r 厶 一工 ) 】阢g 】蟛 ，m a f - tf 正g 一厶i 留k ( 2 。) 上式中，厶和瓜砷分别是金属和半导体的f e r m i - d i r a c 分布函数，1 7 戤) i 为势阱中 空穴的隧穿几率，一为理查逊常数，如式( 2 7 ) 所示，t 为器件温度，为波尔兹 曼常数，m ，是电子或空穴的隧穿有效质量。 爿= 4 删r 旷k 。2 1 2 1 0 , 。i 。m 。1 ，( a m - 2 k - 2 ) c z ， 由上式可知j 泌大小正比于势阱中电子的隧穿几率乘以空穴在金属中的占据几 率和在半导体中的未占据几率。考虑w k b 近似条件，势阱中电子的隧穿几率r 。 可以表示为： f 1 ，g 。 2 1 唧( 一詈c 队h 掂出) 州吲。 旺8 其中 和，分别是能量的大小和其在半导体中所处的位置( 如图2 1 所示) 。由 上式中可以看出当p 目九，隧穿几率氏m = 1 ，也就是说电子以热电子发射为主， 越过肖特基势垒；当o 0 ，此时源极肖 特基结为反偏，漏极肖特基结为正偏。 2 2 1s b s d m o s f e t 的工作机理 典型的s b s d m o s f e t 结构如图2 2 所示。m o s f e t 的源漏区为金属s i 的 肖特基接触，氧化层的厚度为t o x ，沟道的长度为三，侧墙厚度为，；，、。分别是 氧化层和半导体的相对介电常数，衬底为p 型s i 材料。 图2 2 典型的s b s d m o s f e t 结构图 一、 出趔 髓珀m | | s 。1 m o c , t t e ( a ) v o s v d s = o s o u 聍o 咖 d b d n ( b ) v g s v z ，v d s = 0 图2 3v d s = 0 时s b s d - m o s f e t 能带结构 一土 1 图2 3 给出了n 沟s b s d m o s f e t 在v d s = 0 时的能带结构，分别介绍一下： ( 1 ) v o s = v d s - - 0 。当栅压v g s 和漏压v d s 均为零偏时，源漏区高度肖特基空穴势 篓兰童! 曼多d - m o s f e t 的载流子输运帆理及模型 1 1 垒为q c b p ，如图2 3 ( a ) 所示。这时对电子和空穴均是高势垒 ( 2 ) v g s v t ，v d s 3 0 。如果漏压v d s 为零，当栅压v g s 大于开启电压v t ，p 型 半导体的表面将会反型成1 3 型，引起能带弯曲，相应的电子势垒高度为 g 九。，n 型沟道出现，能带结构如图2 3 ( b ) 所示。这是肖特基电子势垒 是低势垒，栅压越大，电子势垒越薄。 在正的漏极电压作用下，源结、沟道和漏结将会有一定的电势分布，在此电 势分布下，电子开始流动，下面介绍s b s d m o s f e t 的各个工作区域【”3 9 ： ( 1 ) 热电子发射区域( t h et h e r m a le m i s s i o n ) 。当v d s 0 而v f b v g s 0 时，s b s d - m o s f e t 各工作区域的能带结构 与常规m o s f e t 相比，开态时，当栅压很大时，源极的势垒变薄，此时载流 子的注入发生在源极势垒很窄的区域中。流入沟道载流子似辐射状展开。沿着沟 道x 方向，不同x 坐标的电荷密度积分是保持不变的，所以载流子的分布也呈辐 射状，源极一侧较密，漏极一侧较疏。由于衬底的掺杂浓度较低，所以载流子不 会像常规m o s f e t 一样束缚在靠近表面处。此外，高场出现在源极一侧，而不是 漏极。由源极注入的载流子将获得很高的速度，迅速扫向漏极一侧1 4 0 j 。图2 6 给出 了载流子在饱和偏压下的分布。 第二章s b s d m o s f e t 的载流子输运机理及模型 13 图2 6 饱和偏压下载流子的分布图 2 2 2s b s d m o s f e t 的隧穿泄漏电流机理 s b s d m o s f e t 工作在亚阈区，将会有来自源结的热电子发射泄漏电流，而 当v o s 0 时，n 沟s b s d m o s f e t 工作在关态，此时器件会有来自漏结 的隧穿泄漏电流。此泄漏电流会影响器件的关态特性，使器件不能正常的开关工 作。普通m o s f e t 没有此隧穿泄漏电流1 4 1 1 。 嘭疬 5 0 m e eg“dl毗n 图27 v g s o 栅压为负，此时沟道处于积累状态，于是，在正的漏极电压作用下，漏结的 肖特基空穴势垒是反偏的，而源结的肖特基空穴势垒则是正偏的，源漏电压主要 降落在漏结肖特基势垒。反偏的漏结肖特基空穴势垒在负栅压的调制下，其势垒 宽度将会变得很窄，漏区的空穴很容易就隧穿进入到沟道积累层，注入的空穴载 流子主要以热发射的方式越过源极的肖特基势垒，从而形成所谓的隧穿泄漏电流， 其能带图如图2 7 所示。由于源结肖特基空穴势垒正偏，因此隧穿泄漏电流主要决 定于漏结反偏的肖特基空穴势垒，此时源漏电压也主要降落在漏结。为了消除此 隧穿泄漏电流，需要我们对s b s d m o s f e t 器件的结构作出改进，后文对这将会 有详细的论述。 1 4硅肖特基源漏m o s f e t 的模拟研究 2 3 本章小结 本章从金属s i 肖特基接触入手，着重分析了s b s d 。m o s f e t 的器件基本模 型和载流子输运机制： l 、肖特基源漏m o s f e t 可以等效为背靠背的两个肖特基二极管，源漏区界 面接触的特性类似于肖特基二极管的特性； 2 、载流子主要的输运机制是热电子发射和量子隧穿效应，给定了包含两种机 制的电流输运方程。 第三章体硅s b s d - m o s f e t 的模拟研究1 5 第三章体硅s b s d m o s f e t 的模拟研究 我们采用二维数值的方法，运用i s e 公司的器件模拟软件d e s s i s ，对体硅 s b s d m o s f e t 的进行了模拟分析，分析其工作机理，并重点分析其泄漏电流产 生机理。模拟结果对进一步改进s b s d m o s f e t 器件结构有重要指导意义。 3 1 1d e s s i s 简介 3 1 模拟模型和参数的选取 本文使用器件模拟软件是d e s s i s7 0 ，它是i s e t c a d7 0 软件包里的一个软 件。t c a d ( t e c h n o l o g yc a d ) 是一种工艺器件的电脑辅助设计与模拟软件。 使用t c a d 的 = = 批与调整 号 、器件内物理 网格生成软件，器件 匿的分布 指定器件结构模拟 与掺杂 盼定器件模型和蚓 软件 阻计算方法f 毒d e s s i s! 、器件端口屯 学特- 陛 端口偏置i 喃 图3 1 模拟流程 d e s s i s 通过建立电势与载流子分布模型，可以分析任意偏压下各种结构半导 体器件( 包括s o l 、h b t 、h e m t ) ，可模拟的器件范围从深亚微米硅m o s f e t 至 双极大功率器件等多种半导体器件的电学特性，是一种功能十分强大的半导体器 件模拟软件。完成一个完整的模拟流程还需要一些辅助软件，例如，网格生成软 件，图形结构显示软件，曲线生成软件等，这些工具在软件包i s e t c a d7 0 都有 提供【4 甜。 1 6 硅肖特摹源漏m o s f e t 的模拟研究 3 1 2 求解的基本方程 对深亚微米半导体器件，漂移扩散模型已不再使用。针对所要模拟的器件的 结构及尺寸，本文对器件电学特性的模拟描述，是通过求解流体力学模型中的三 组基本方程来实现的，包括p o i s s o n 方程，载流子连续性方程，能量平衡方程。 ( 1 ) p o i s s o n 方程，计算器件中的电势分布； z v 2 y = 一g - - n + 怫一蛎j p 。 ( 3 1 ) ( 2 ) 载流子连续性方程，求解器件各处的载流子浓度 詈= 吉v j - g = f ( v ，唧)研口 ( 3 2 ) 害2 弓v j p - g p = f ) 。， 鲁冉i = z ，啦+ 警l 。 。， 等冉瓦= z 瓯+ 剽。 s ， 盟冉羹=owloto t l i r o , , ( 3 s ) j 。 风为表面电荷密度，包括氧化层中的固定电荷和界面态，矿和m + 分别为电 离的施主和受主杂质浓度， 和五为电子和空穴电流ig 和q 为电子和空穴的净 复合几率，脚和脚为电子和空穴迁移率，d 。和岛为电子和空穴的扩散系数，展 和日分别为导带和价带的能量，乃和乃分别为电子和空穴的载流子温度。m 。和 7 n 。分别为电子和空穴的有效质量。品和岛分别为电子与空穴的能量流密度。 3 1 3 模型的选取与参数的选择 针对不同材料和结构的器件需要选用不同的模型。我们选用了肖特基接触模型、 肖特基势垒降低模型和迁移率模型，同时考虑到s b s d m o s f e t 的载流子输运主要 以隧穿为主( 伴有少量的热电子发射) ，我们选用了肖特基热电子发射一隧穿模型。 l 、肖特基接触模型 s b s d m o s f e t 的源漏区均为肖特基接触，接触特性对器件的影响十分显著。 d e s s i s 对于肖特基接触做了特定的模型定义 4 2 1 ，编程模拟时，需要在p h y s i c s 语 第三章体辟s b s o m o s f e t 的模拟研究1 7 司甲足义s c h o t t k y 爹数。 d e s s t s 提供的肖特基接触模型如下： 甲。：矿删。一。+ 旦l nf 生1 ( 3 7 ) y l “，。彰 了。齑= q v 0 。叫一九。) ，。j p , 面= 一q v pp 。洲一p o ) ( 3 8 ) 一 x 鲁) 一扎e 砷( 专竽 c ， 其中，、壬，；为肖特基接触处的表面势，c 是半导体的导带底的有效态密度， 获有效本征浓度，厶和易分别是接触处电子和空穴的电流密度，妒p 。衫搦u 是 表面处的电子空穴浓度，y o 和p 。是体内电子和空穴的载流子浓度，v n 和v 。是电子 和空穴的表面复合速度，本文分别取2 5 7 3 x 1 0 6 c m s 和1 9 3 x 1 0 6c m s 1 2 。 2 、肖特基势垒降低模型 在模拟中考虑了界面层和镜像力对势垒高度的影响，这通过激活d e s s i s 的 b a r r i e r l o w e r i n g 模型来实现。势垒降低表示为： a 。c z ；，= a ( t 2 1 0 、”。z e ；p o q1 ) + n ： ( 言 ”2 一( 鲁 9 2 c 。，。， ( 3 9 ) 式中第一项表示镜像力引起的势垒降低，第二项表示界面层导致的势垒 降低：e 表示金半接触界面处的电场，e c ，= i v c m ，a = i 去 ，a 2 是个经验系 数，一般介于1 5 一一3 s l i m2 _ l 盲q t 4 引，本文取1 5 r i m 。计入了势垒降低后有效表面势 表示为： 甲铆= 吼 ( 3 i 1 ) 式中“+ “一”号分别对应空穴和电子。通过有效表面势求得有效的，轴小岛。 和有效的n o 、p o 代入( 3 7 ) 式去求解载流子连续性方程。 3 、迁移率模型 载流子的迁移率表征了载流子在半导体中输运时的散射机制。在靠近表面附 近传输的载流子，除了和体内的载流子一样受到晶格散射、电离杂质散射等各种 散射机制的影响外，还要受到表面散射的影响。引起表面散射的原因很多，例如 表面粗糙度、晶格不完整性、表面电荷、表面电场等。因此我们在选取迁移率模 型的时候，必须考虑界面对载流子的散射作用。d e s s i s 提供的迁移率模型很多， 硅肖特基源漏m o s f e t 的模拟研究 主要分为三大类：低场迁移率模型、横向场迁移率模型和水平场迁移率模型。下 面我们对模拟中选用的参考模型做简单介绍( 以电子为例) ： ( 1 ) 低场迁移率模型。由于载流子迁移率依赖于掺杂浓度，我们选用了相关的模 型，在p h y s i c s 的m o b i l i t y 语句定义d o p i n g d e p e n d e n c e 参数。 x p + 带南 。1 2 其中总离化杂质浓度= _ v d + m 。本文中电子和空穴的口。，分别为 5 2 ，2 c m 2 v s 和4 4 9 c m 2 v s ，电子和空穴的岸。分别为5 2 2 c m 2 v s 和0 ，电子和空 穴的弘1 分别为4 3 ，4 c m 2 v s 和2 9 c m 协s ，电子和空穴的p 。分别为0 和9 2 3 1 0 1 6 c m ， 电子和空穴的g 分别为9 6 8 1 0 1 6 c m j 和2 2 3 x 1 0 17 c 肌，电子和空穴的g 分别为 3 4 3 1 0 2 0 c m 3 和6 1 1 0 2 0 c m ，电子和空穴的n 常数分别为o 6 8 和o 7 1 9 ，电子和 空穴的口常数都是2 ，0 【4 2 】。 ( 2 ) 横向场迁移率模型。考虑到m o s f e t 绝缘层和半导体界面处表面散射的影 响，如声予散射、表面粗糙度散射等，我们需要在p h y s i c s 语句中定义e n o r m a l 模 型与参数。 “：旦+ 坐；! 型! 兰 ( 3 1 3 ) “2 i + 霄湔 f 虹华+ 孚1 上：上+ j 一+ 上 ( 3 1 5 ) 弘pbp 。ep 。 其中卢为总的迁移率，, u b 为体内迁移率，肋。为声子散射导致的迁移率影响，胁