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硅基应变MOSFET的研究和设计

作　者: 秦珊珊
导　师: 张鹤鸣
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 硅基应变 MOSFET 阈值电压亚阈电流高k栅介质栅漏电流
分类号: TN386
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

Si CMOS技术以其低能耗、高集成度、高效率、高可靠性以及优良的噪声性能在集成电路中占据统治地位。对于深亚微米尺寸的器件,为了提高载流子迁移率,需要采用新的材料代替Si材料做为导电沟道,但是新材料也不可避免的带来很多新的缺点和需要解决的问题,所以用成熟的Si材料作为超大规模集成电路的材料还是现阶段集成电路的第一选择。Si基应变技术不仅提高了Si基材料器件的性能,更重要的是延长了价格高昂的工艺设备的使用年限,最大限度的节约了成本。所以Si基应变技术成为深亚微米Si CMOS电路继续向高速、高性能发展的关键技术。本文从理论和实验两个方面开展了研究工作,主要内容分为三部分:Si基应变MOSFET器件的物理模型和电学特性研究;Si基应变MOSFET器件的制备;以及高k栅介质应变MOS器件的制备以及包括界面特性,电学特性的研究和分析。具体的主要研究工作和成果如下:1.通过求解泊松方程建立了应变Si NMOSFET和PMOSFET以及SSOI （Strained-Si on Insulator） NMOSFET的阈值电压模型和亚阈电流模型,并用二维器件仿真工具ISE对所建立的模型进行验证和分析,为应变Si NMOSFET和PMOSFET以及SSOI NMOSFET的物理参数设计提供了理论依据。2.通过求解泊松方程建立应变Si/应变SiGe/SiGe双沟道PMOSFET的表面沟道和埋层沟道的阈值电压模型,以及保证埋层沟道先于表面沟道开启的条件。所建模型通过了ISE仿真工具的验证。并分析了各个物理结构参数对阈值电压的影响。为应变Si/应变SiGe/SiGe双沟道PMOSFET的物理参数设计提供了重要参考。此模型还可以用于应变SiGe量子阱PMOSFET的结构设计。3.基于前面章节所建模型和讨论分析,对应变Si NMOSFET和应变SiGe量子阱PMOSFET进行了包括结构物理参数,版图,以及工艺的设计,并最终完成了应变Si NMOSFET和应变SiGe量子阱PMOSFET的制备和测试。测试结果显示,与普通Si MOSFET相比,应变Si NMOSFET的跨导提高了两倍,而应变SiGe量子阱PMOSFET的跨导提高了一倍。4.分析了不同退火温度和电应力对HfO₂栅介质应变Si和应变SiGe MOS器件的特性的影响。实验结果表明,高温退火会降低HfO₂应变Si和HfO₂应变SiGe MOS器件栅介质常数,并且随着退火温度的增加,其介电常数会不断减小,而栅漏电流减小,同时氧化层电荷和陷阱大大减小。对比了同样栅氧层厚度的HfO₂应变Si、HfO₂应变SiGe以及HfO₂ Si MOS器件的栅漏电流,受界面态密度和氧化层势垒高度影响,HfO₂应变SiGe MOS器件中的栅漏电流最大,HfO₂应变Si MOS器件中的栅漏电流最小。还分析了电应力对HfO₂应变Si和HfO₂应变SiGe MOS器件I-V特性的影响,发现负压应力对器件的I-V特性影响不大,而正压应力会使得HfO₂应变Si和HfO₂应变SiGe MOS器件的栅漏电流减小。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-26
  1.1 CMOS集成电路的发展及存在的问题  12-13
  1.2 应变技术国内外发展情况  13-21
  1.3 本论文研究的目的和意义  21-22
  1.4 本文的主要研究工作  22-24
  1.5 本章小节  24-26
第二章应变Si/SiGe的物理特性的研究  26-40
  2.1 应变Si和应变SiGe的形成及特点  26-27
  2.2 应变Si的物理特性  27-33
    2.2.1 应变Si能带结构  27-28
    2.2.2 应变Si本征载流子浓度和有效态密度  28-29
    2.2.3 应变Si载流子迁移率模型  29-33
  2.3 应变SiGe物理特性  33-39
    2.3.1 应变SiGe能带结构  33-36
    2.3.2 应变SiGe本征载流子浓度和有效态密度  36-37
    2.3.3 应变SiGe载流子迁移率模型  37-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章应变Si MOSFET 阈值电压与亚阈电流模型研究  40-62
  3.1 应变Si NMOSFET阈值电压与亚阈电流模型  40-45
    3.1.1 器件结构  40-41
    3.1.2 二维表面势模型  41-43
    3.1.3 阈值电压模型  43-44
    3.1.4 亚阈电流模型  44-45
  3.2 应变Si PMOSFET阈值电压模型  45-47
    3.2.1 器件结构  45-46
    3.2.2 阈值电压模型  46-47
  3.3 全耗尽应变SOI NMOSFET阈值电压与亚阈电流模型  47-52
    3.3.1 器件结构  48-49
    3.3.2 二维表面势模型  49-51
    3.3.3 阈值电压模型  51
    3.3.4 亚阈电流模型  51-52
  3.4 器件主要结构参数的优化  52-60
    3.4.1 应变Si NMOSFET主要结构参数对阈值电压和亚阈特性的影响  52-55
    3.4.2 应变Si PMOSFET主要结构参数对阈值电压的影响  55-58
    3.4.3 全耗尽应变SOI NMOSFET主要结构参数对阈值电压和亚阈特性的影响  58-60
  3.5 本章小结  60-62
第四章应变SiGe PMOSFET阈值电压模型研究  62-76
  4.1 应变SiGe PMOSFET阈值电压模型  62-68
    4.1.1 器件结构  62-63
    4.1.2 各层电势分布  63-67
    4.1.3 阈值电压模型  67-68
  4.2 器件主要结构参数的优化  68-74
    4.2.1 应变SiGe PMOSFET主要结构参数对阈值电压的影响  68-71
    4.2.2 应变SiGe PMOSFET主要结构参数对电流特性的影响  71-74
  4.3 本章小节  74-76
第五章硅基应变MOSFET的设计和制备  76-90
  5.1 硅基应变 MOSFET的设计  76-77
    5.1.1 结构参数设计  76-77
    5.1.2 器件版图设计  77
  5.2 硅基应变MOSFET工艺设计  77-82
    5.2.1 低温硅工艺  78-79
    5.2.2 弛豫SiGe缓冲层技术  79
    5.2.3 二氧化硅淀积工艺  79-80
    5.2.4 MOSFET工艺流程  80
    5.2.5 器件制作工艺设计  80-82
  5.3 硅基应变MOSFET的制备和测试分析  82-88
    5.3.1 应变Si NMOSFET的制备和测试  84-86
    5.3.2 应变SiGe量子阱PMOSFET的制备和测试  86-88
  5.4 本章小节  88-90
第六章 Hf0_2应变Si/SiGe MOSFET的关键技术研究  90-104
  6.1 Hf0_2 应变Si MOS器件的特性研究  90-98
    6.1.1 样品制备  90-91
    6.1.2 不同温度下的退火对HfO_2 应变Si MOS器件特性的影响  91-96
    6.1.3 SILC对HfO_2 应变Si MOS器件I-V特性的影响  96-98
  6.2 HfO_2 应变SiGe MOS器件的特性研究  98-102
    6.2.1 样品制备  98
    6.2.2 不同温度下的退火对HfO_2 应变SiGe MOS器件特性的影响  98-101
    6.2.3 SILC对HfO_2 应变SiGe MOS器件的I-V特性的影响  101-102
  6.3 本章小节  102-104
第七章结论  104-106
致谢  106-108
参考文献  108-126
攻博期间的研究成果  126-129

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