應(yīng)力集中應(yīng)變MOSFET可縮小性與工藝研研究.pdf

1、應(yīng)變硅具有載流子遷移率高,能帶結(jié)構(gòu)可調(diào),與傳統(tǒng)工藝兼容,對器件性能提升明顯等特點而備受關(guān)注。通過縮短器件特征尺寸以提升器件性能已變得越來越困難,將應(yīng)變技術(shù)小尺寸化以提升小尺寸器件性能,進一步延續(xù)摩爾定律具有重要意義。但在納米尺度器件中,載流子輸運模式的改變使得應(yīng)變技術(shù)對器件性能提升機理改變,應(yīng)變技術(shù)是否依然有效有待研究。同時隨著器件尺寸的縮小,傳統(tǒng)應(yīng)變技術(shù)面臨如應(yīng)力弛豫,應(yīng)力引入困難,三維效應(yīng)加劇等諸多挑戰(zhàn)。
　　本文通過理論、實

2、驗與仿真針對應(yīng)變技術(shù)小尺寸化所面臨的如小尺寸器件應(yīng)變性能提升機理,溝道應(yīng)力增強方法等問題展開了如下研究:
　　1.基于應(yīng)變技術(shù)對硅基材料能帶的改變、載流子散射率和有效質(zhì)量的減小,及小尺寸器件輸運模型,即溝道長度進入納米尺度,速度過沖和彈道輸運的出現(xiàn)導(dǎo)致載流子輸運模式的改變,對小尺寸應(yīng)變器件性能提升機理進行研究。得出應(yīng)變技術(shù)依然能有效提升小尺寸器件性能,主要通過減小載流子有效質(zhì)量方式實現(xiàn),因此小尺寸應(yīng)變技術(shù)應(yīng)以減小載流子有效質(zhì)量為目

3、的。同時針對傳統(tǒng)應(yīng)變技術(shù)小尺寸化后存在的問題進行探索,得出小尺寸器件需采用新型應(yīng)變技術(shù)或?qū)⒍喾N應(yīng)變技術(shù)綜合以提升器件性能。
　　2.通過解析與有限元迭代求解對平板中央開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進行求解,得出彈性形變下平板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和應(yīng)力集中因子與孔形狀的關(guān)系。同時采用Sentaurus仿真分析了柵長從15nm到350nm應(yīng)力集中應(yīng)變MOS器件溝道應(yīng)力分布與溝道應(yīng)力提升機理和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。得出應(yīng)力隨孔內(nèi)材料楊氏模量的減小和頂層硅厚度的減小而

4、迅速增大,相對于傳統(tǒng) CESL應(yīng)變技術(shù),二氧化硅和真空孔器件溝道應(yīng)力分別獲得超過50MPa與150MPa的提升。
　　3.基于Sentaurus有限元求解,針對柵長從15nm到350nm應(yīng)力集中器件,對比分析了其相對于普通CESL應(yīng)變器件轉(zhuǎn)移與輸出特性的提升,壓擺率和DIBL效應(yīng)及閾值電壓的變化,應(yīng)力增強導(dǎo)致載流子遷移率的提升,孔材料低介電常數(shù)引起溝道電場的變化。得出應(yīng)力集中器件性能的提升主要得益于溝道應(yīng)力的提升,其次是孔材料低的

5、介電常數(shù)。當(dāng)柵長大于20nm時,驅(qū)動電流均獲得超過12％的提升,且提升幅度隨著柵長的減小先增大后減小,在65nm時達到峰值,提升達18.4％。同時該應(yīng)力集中器件具有良好的亞閾區(qū)特性與DIBL特性。
　　4.針對優(yōu)化的應(yīng)力集中器件結(jié)構(gòu),提出了基于 SOI工藝與基于鍺硅與硅高選擇性刻蝕比的鍺硅局部外延自對準(zhǔn)技術(shù)的器件制作方案,并對鍺硅與硅的高選擇刻蝕比進行理論與實驗研究,獲得采用HF,H2O2,濃CH3COOH刻蝕液可獲得高選擇刻蝕比