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双轴应变硅MOS器件的自热效应研究

作　者: 刘冰洁
导　师: 刘红侠
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: 双轴应变硅MOS器件 自热效应 热阻 薄虚拟衬底 栅漏电流
分类号: TN386.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着集成电路的快速发展,等比例缩小技术已经不能满足摩尔定律,应变硅MOS器件成为后硅时代研究的热点。应变硅技术通过拉伸或压缩硅晶格提高沟道载流子迁移率,在不减小器件尺寸的情况下,仍可提高器件性能;同时应变硅技术与传统体硅工艺兼容,减少了改善工艺设施所带来的投资,降低了生产成本。研究应变硅MOS器件的性能以及可靠性问题也日益重要。论文分析了几种常用的单轴应变和双轴应变的引入方法,并从能带结构方面论述了应力导致载流子迁移率增强的机理。论文重点在于建立一个全面的热阻模型,对双轴应变硅MOS器件的自热效应进行了量化分析。模型的建立考虑了三方面的因素:1、短沟道MOS器件中,热产生率的最大值偏离沟道,热传导深入漏区;2、小尺寸MOS器件中,栅/栅氧/沟道界面热阻、器件接触热阻不可忽略;3、沟道材料热导率不是一个定值,而是与温度、掺杂浓度、材料厚度相关的。对不同尺寸的MOS器件,比较了其热阻模型的计算值与实验值,验证了模型的准确性和实用性。基于模型计算公式,提出了在器件结构方面的几点优化措施,并且采用ISE-TCAD软件对优化效果进行了仿真验证。薄虚拟衬底技术是目前公认的一种可减弱自热效应的方法。本文通过对比体硅MOS器件、厚虚拟衬底和薄虚拟衬底MOS器件的直流、交流输出特性,证实了薄虚拟衬底MOS器件可有效控制自热,并且其击穿特性、栅漏特性也比厚虚拟衬底器件有所改善。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-11
  1.1 应变硅技术的研究目的与发展现状  7-8
    1.1.1 应变硅技术研究目的  7-8
    1.1.2 应变硅技术的发展现状  8
  1.2 应变硅MOS器件自热效应的研究意义  8-9
  1.3 本文的主要工作及内容安排  9-11
第二章 应变硅MOS器件的物理特性  11-23
  2.1 应变硅中载流子迁移率增强机理  11-17
    2.1.1 张应力下电子迁移率的增强  11-14
    2.1.2 压应力下空穴迁移率的增强  14-15
    2.1.3 Si/SiGe界面的能带结构  15-17
  2.2 应变硅MOS器件结构  17-21
    2.2.1 应变硅MOS器件分类  17-20
    2.2.2 双轴应变硅材料位错分析  20-21
  2.3 本章小结  21-23
第三章 应变硅MOS器件热特性分析  23-33
  3.1 器件设计中的热特性  23-25
    3.1.1 体硅晶体管  24
    3.1.2 非传统晶体管  24-25
  3.2 半导体材料中的热产生和热传导  25-27
  3.3 准弹道二极管的热仿真  27-32
    3.3.1 漏端焦耳热  28-31
    3.3.2 源的电热冷却  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 双轴应变硅MOS器件热阻模型的建立  33-47
  4.1 硅材料的高温热导率模型  33-39
    4.1.1 高温下纯净体硅的热导率  34-35
    4.1.2 高温下掺杂体硅的热导率  35-37
    4.1.3 高温下纯净薄硅层的热导率  37-38
    4.1.4 高温下掺杂薄硅层的热导率  38-39
  4.2 金属界面热阻  39-41
    4.2.1 MOSFET边界热阻  39-40
    4.2.2 MOSFET接触和通孔热阻  40-41
  4.3 双轴应变硅MOSFET的热阻模型及模型验证结果  41-44
    4.3.1 双轴应变硅MOSFET的热阻模型  41-43
    4.3.2 模型验证结果  43-44
  4.4 双轴应变硅MOSFET的结构优化  44-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章 薄虚拟衬底应变硅MOS器件的研究  47-61
  5.1 薄虚拟衬底制造工艺  47-51
    5.1.1 低温生长  47-48
    5.1.2 C掺杂  48-49
    5.1.3 He离子注入  49-51
  5.2 薄虚拟衬底应变硅MOS器件的电热特性  51-54
    5.2.1 薄虚拟衬底应变硅MOS器件的自热效应  51-53
    5.2.2 薄虚拟衬底应变硅MOS器件的击穿特性  53-54
  5.3 薄虚拟衬底应变硅MOS器件的栅漏特性  54-59
    5.3.1 栅漏电流模型  54-57
    5.3.2 应力导致栅漏电流特性  57
    5.3.3 栅漏电流的产生机理  57-59
  5.4 本章小结  59-61
第六章 总结和展望  61-63
致谢  63-65
参考文献  65-69
研究成果  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件 > 金属-氧化物-半导体（MOS）器件
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