高k栅介质InGaAsMOSFET结构的设计与仿真.docx

高 栅介质 结构的设计与仿真朱述炎，叶青，汪礼胜，徐静平（华中科技大学 光学与电子信息学院，武汉 ；武汉理工大学 理学院 物理科学与技术系，武汉 ）摘要： 利用半导体仿真工具，研究了高 栅介质 的三种结构： 缓冲层结构、侧墙结构和基本结构。通过对三种结构 的阈值电压、亚 阈值摆幅以及漏源 电流 进 行 比 较 分 析，得 出 缓 冲 层 结 构 具 有 最 佳 的 电 学 特 性，侧 墙 结 构 的 次之。进一步分析发现，当缓冲层结构 的沟道厚度大于 时，可获得稳定的电性能。关键词： ；高 栅介质中图分类号 ：文献标识码 ：文章编号 ：（） ， ， ，（，；，）： ， ， ， ， ， ，： ；高器件驱动 电 流，进 而 提 高 开 关 速 度，降 低 工 作 电引言压，从而进一步降低功耗。另一方面，对 于 在过去的半个世纪里，晶体管尺寸的不断缩小 和性能的不断提高带动了整个集成电路产业的迅猛 发展。当特征尺寸缩小到 以下时， 技 术面临着极大的挑战。 首先，沟道 迁移率的退化变 得十分严重，提高 沟道迁移率成为提高器件性能的 首要工作。化合物半导体材料的 电子迁移 率比 的 电 子 迁 移 率 高 倍 左 右。的 高迁移率是因为它的有效质量轻。高迁移率可以提技术节点或更小的尺寸 ，工 业生产要求栅介质层的等效氧化物厚度 （）小 于 ，若 仍 采 用 传 统 的 作为栅介质，电子的直接隧穿效应和 栅介质 层所承受的电场将变得很大 ，由 此将引发诸多可靠 性问题，包 括 栅 极 漏 电 流 的 增 大 以 及 超 薄 栅 氧 化层的击穿等。这些问题严重阻碍了 器件 的进一步发展，同 时也意味着传统的二氧化硅介质已经达到其使用的物理极限。 因此，采 用高 介质 代替 （）作 栅 介 质 已 成 为 必 然。 它 允 许收稿日期 ：；定 稿日期 ：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）。作者简介：朱述炎（），男（汉 族），湖 北人，硕士研究生，主要研究方向为高 栅介质 器件模型与实验。介质的物理厚度在相同栅氧化物电容下做得更厚，的 作 缓 冲 层，掺 杂 浓 度 为 可以显著降低栅极漏电流。 因此，与 高；）缓冲 层 上 沉 积 厚 的 栅介质的结合无疑是下一代 晶体管的重要发 展方向之一。目前，缓冲层在 中已得到广 泛应用。通常，在 衬底和 沟 道之间淀积一定 厚度的缓冲材料，可以显著改善沟 道层与衬底之间 的晶格匹配问题，制备出高质量的沟道 ，从而获得电 学性能更好的 。对于 衬底和 沟道，缓 冲 层 可 以 是 或 者 ，。 而 对于 衬 底 与 沟 道，或 者 衬 底 与 沟道，均可以采用一定掺杂浓度的 作缓 冲层。另外， 中的侧墙结构在一定程度 上可改善其电学性能，特别是在短沟道器件中 ，边缘 场效应会带来阈值电压漂移等一系列问题 ，而 侧墙 介质能使 这 些 问 题 得 到 缓 解，从 而 提 高 的电学性能。目前，有一些 研究已涉及到这两种作沟道层，掺杂浓 度为 ；）沉 积一层厚 度为 的 高 介 质 层，并刻蚀出左右源漏区 域，作离子注入的掩盖层 ；）进行源漏 型掺杂注 入：注入剂量 为 ，能 量 为 ，注 入后，在氮环境下 进行 ，的 快速热退火； ）刻蚀掉 厚的栅掩盖层，重 新沉积 厚 的高 栅介质层；）分别制备源、漏、栅金属电极。（）冲层的结构结构以 及 基 本 的 结 构，但 大 多 数 是 针 对 器件的 和 特 性或 者 迁 移 率 模 型进 行 研究，很少涉及不 同器件结构对各种电学性能影响 的分析讨论。本文通过软件仿真，对这三种结构的 电学性能进行比较，以得出最佳器件结构 。 带缓器件仿真本 文 器 件 仿 真 在 软 件 的 交 互 式 界 面 上 完 成。 首 先，采 用 工艺仿真软件，模拟 的制备过 程，得 到 一 个 完 整 的 结 构；接 着，进 入 软 件，将 中 得 到 的 结 构 导 入 其 中，并定义物理模 型、计 算方法、各 层材料以及界面 特性等，进 而 对 器 件的电特 性进行仿真分析 ；利 用 ，将仿真结果以曲线形式输出 。由工艺 仿 真 得 到 的 三 种 器 件 结 构 如 图 （），（），（）所示，分 别为缓冲层结构 、侧墙结构和基本 结构，它们都以 作衬底。其中，缓冲层是厚度为，掺杂浓度为 的外（）带 侧墙的 结构（）无缓冲层无侧墙的 结构 图 器件结构槡阈值电压通过外推法得到 ，它 的值与器件进入 强反型时的阈值电压相吻合 ，其表达式为：延层；沟道层是厚度为，掺 杂浓度为 的外 延 层。 如 图 所 示，三 种 器 槡 （）件的结构特 征 是：（）有 缓 冲 层，无 侧 墙；（）有 侧 墙，无缓冲层；（）无缓冲层，无侧墙。以缓 冲 层 结 构 为 例，工 艺 仿 真 过 程 如下：）定 义 网 格 并 初 始 化 衬 底， 型 掺 杂 浓 度为；）在衬 底上沉积一层 厚式中，为 平带电压，为 强反型时的表面势， 为真 空介电常数，为的 介电常数， 为 掺杂浓度，为氧化层电容，为衬底偏压。漏源电流模 型 包 括 模 型、薄 层 电 荷 模 型以及 模型等。模型只能采用数值方法求解，且模 型比较复杂。 薄层电荷模型需迭代 求解，耗时较多。仿 真工具采用类似 模型，这种近似模型能很好地应用 于器件漏 源电流的仿真，其最 大漏源电流 （饱 和电流 ）的 公式 为： 杂质浓度较低时 ，阈值电压变化不大 。 当 杂 质 浓度达到后，的 变化增大。 值得注意 的是，缓 冲 层 结 构 的 阈 值 电 压 受 沟 道 杂质浓度的影响最小，随浓度增加缓慢增加 。 这可能 是由于缓冲层的存在使沟道的晶格匹配程度更高。无缓冲层的另外两种 结构的阈值电压随 （ ）（ ）（）沟道掺杂变化幅度较大 ，特 别是在高掺杂浓度下尤其中， ，称 为 放 大 系 数， 为） ， 的表面迁移率； （ 为体费米势，为栅源电压，为阈值电压。亚阈值摆幅的物理意义是指在弱反型状态下亚 阈电流减小 倍所需栅源电压的变化量。 它是表 征 开关特性的最佳参量：为明显。因此，设 计缓冲层结构可使阈值电压与掺 杂浓度的依赖关系变弱 ，便于阈值电压的精确控制。图所示为三种器件结构的漏源饱和电流随沟 道掺杂浓度 的 变 化。 图 中，三 种 结 构 的 随 掺 杂 浓度的变化趋势基本一致 ，均 随掺杂浓度的增加而减小。这是因为掺杂浓度越高 ，杂质散射越强，载流 子迁移率越低。缓冲层结构的 具有最大 （ 槡 ）（）的漏源电流，其次是侧墙结构的 。众 所周其中， （） ， 。通过以上工艺仿真得到器件结构后 ，将 其导入 器件仿真软件，设 置界面及各种模型参数， 利用上述公式即可进行电特性的模拟仿真。仿真中 设定的 基 本 参 数 为：界 面 固 定 电 荷 密 度 为 ；栅极与半导体功函数 差为零 ；迁 移率模型采用 模型，考虑 了 杂 质、缺 陷、温 度、纵 向 电 场 对 迁 移率的影响。仿真结果分析通过 器件仿真，分析比较了上文中三 种 不同 结构的阈值电压、最 大漏源 电流和亚阈值摆幅随沟道掺杂浓度 、缓 冲层掺杂浓 度以及沟道厚度的变化情况。 沟道掺杂浓度对器件性能的影响图所示为阈值电压随沟道掺杂浓度的变化。 图中三种结构的均随掺 杂浓度的增加而增加，与 阈值电压理论相符。图 三种结构的阈值电压随沟道掺杂浓度的变化 知，漏源电流的大 小与阈值电压和沟道载流子迁移率有关。而图的结果表明，在杂质浓度较低时，三 种结构的阈值电压基本相同。这表明三种器件结构 的沟道载流子迁移率明显不同 ，缓 冲层结构的沟道 载流子迁移率最大，侧 墙结构次之。 这是因为缓冲 层的存在使沟道层的晶格缺陷减少 ，载 流子散射作 用大大降低，从 而使沟道迁移率明显变大。 而侧墙 的存在则可以有效减弱边缘场效应的影响 ，特 别是 在短沟道的情况下 ，其作用更加明显。图 三种器件结构最大漏 源 电 流 （饱 和 电 流 ）随 沟 道 掺 杂浓度的变化图所示为三种器件结构的亚阈值摆幅随沟道 掺杂浓度的变化。 图中，亚 阈值摆幅随沟道掺杂浓 度的增大而增大。 仿真结果表明，缓 冲层和侧墙结 构均能减缓亚阈值摆幅随沟道浓度的变化 ，从 而得 到更好的亚阈值特性 ，其 中以缓冲层结构最好。 这 是因为缓冲层能够有效抑制界面陷阱电荷 ，从 而得 到较低的亚阈值摆幅。侧墙结构则是由于侧墙的存 在降低了边缘场效应 ，使阈值电压漂移减小，从而降 低亚阈值摆幅。综合以上 分 析 可 以 得 出，缓 冲 层 结 构 能够获得稳定的阈值电压 、最大的沟 道载 流子迁移率，以及最小的亚阈值摆幅 ，其次是侧墙结 构 。图 三种器件结构的亚阈值摆幅随沟道掺杂浓度的变化 沟道层厚度对器件性能的影响针对缓冲层结构，进一步研究了沟道层厚度对 升高，反之，则是先减小再趋于稳定 。阈值电压趋于 稳定的沟道 厚 度 约 为 左 右。 而 对 于 无 缓 冲 层结构的 ，其阈值电压随着沟道厚度 的增 加，先 有 较 大 幅 度 的 增 大。 当 厚 度 达 到 左 右时，阈值电压趋于稳定 ，其稳定值较缓冲层结构的 大一倍以上。 这可以解释为在无缓 冲层 情况下沟道与衬底的晶格匹配较差 ，需 要更大的沟 道厚度才能屏蔽各种因素的影响 ，而 晶格不匹配带 来的缺陷密度增大也会使阈值电压的稳定值变大。 总之，要获 得 稳 定 的 阈 值 电 压，对 于 缓 冲 层 结构而言，沟 道 厚 度 需 在 以 上；对 于 无 缓 冲 层 结构而言，沟 道厚度需在 以上。 只有这样， 才能获得稳定的电特性。结论器件性能的影响。在掺杂浓度为的以高栅介质 为研究对象， 厚的缓 冲 层 上，保 持 沟 道 掺 杂 浓 度 为 设计了三种结构：缓 冲层结构，侧 墙结构，改变沟道 层厚度，仿 真 得 到 阈 值 电以及无缓冲 层 无侧墙的基本结构。 通 过 软压的变化。另一方面，改变缓冲层掺杂浓度 ，研究其对器件电学特性的影响，并与无缓冲层结构进行对 比。图所示为阈值电压随沟道层厚度的变化。图 不同缓冲层掺杂浓度下 ，阈值电压随沟道厚度的变化 对于掺杂浓度为 的缓冲层结构，其 阈值电压随着沟道厚度的增加 ，先略微减小，然后保 持不变 （厚 度 在 以 上 时，阈 值 电 压 基 本 不 变）；而对于缓冲层 未掺杂的情况 ，阈值电压先有较 大幅度的 增 加，然后在厚度超过 时 保 持 恒 定，并 且 两 者 趋 于 相 同 的 阈 值 电 压 值 ，约 为 。这是因为 当 沟 道 厚 度 较 薄 时，沟 道 层 受 缓 冲 层 杂质的影响，由于浓度梯度的存在 ，杂质会在缓冲层 与沟道层之间做扩散运动，从而对器件的阈值电压 造成影响，浓度差值越大，影响越大。如果缓冲层掺 杂浓度低于沟道掺杂浓度，则阈值电压随沟道厚度 的增加而增大，之 后达到稳定。 这是由于沟道杂质 会向缓冲层扩散，导致沟道杂质浓度下降 ，阈值电压件模拟仿真，比较分析了它们的电特性 ，得出缓冲层 结构 具有最佳电学特性，即：最 稳定的阈 值电压，最 大 的 漏 源 电 流 以 及 最 小 的 亚 阈 值 摆 幅。 进 一 步 分 析 表 明，沟道层厚度对缓冲 层 结 构 电性 能的稳定有较大影响 ，当 厚 度 小 于 时，器件电学性能受缓冲 层影响 ，大 于 时，性能趋于稳定；对于无缓冲层结构 的 ， 当沟道层厚度 大 于 时，才 能 获 得 稳 定 的 器 件电学性能。参 考 文 献： ， （）： ， ， ， ，（）： 张化福，祁康 成，吴 健高 介 电 常 数栅极电介质材料 的研究进展 材 料导报 ，（）： ， ， ，（）： ， ， （下转第页） 阻变存储器芯片本文设计的 阻变存储器芯片版图如图 所示，芯片尺寸为。芯片划分为 个子模块，每个子模块包括个行和列 构成的 子阵列。 相邻两个可变电阻共 享 一 条源线。通过平衡的版图排布，获 得较为平衡的输 入和输出路径，有效减小了关键路径延时 。将 的巨大阵列划分为单独的子阵列 ，在减小线寄生参 数的同时，实现了快速的写入和读出操作 。图 芯片版图结论采用 工艺，实 现 了 一 款 阻 变 存 储 器 芯 片。 该 芯 片 基 于 存储单元结构，采 用带 功能的写驱动电路和电压型的读出电路方案 ，配 以合理的子阵列 划分和版图布局，达到了 的存储单元特征尺寸。 仿真结果表明，该 阻变存储器芯片实现了数据的有 效写入和读出功能 ，为进一步开展大容量、高密度阻 变存储器芯片的研究奠定了基础。参 考 文 献： ， ，（）： ， ， ， ： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，： 金钢