應力集中應變MOSFET可縮小性與工藝研研究.pdf

1、應變硅具有載流子遷移率高,能帶結構可調,與傳統(tǒng)工藝兼容,對器件性能提升明顯等特點而備受關注。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,將應變技術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變技術對器件性能提升機理改變,應變技術是否依然有效有待研究。同時隨著器件尺寸的縮小,傳統(tǒng)應變技術面臨如應力弛豫,應力引入困難,三維效應加劇等諸多挑戰(zhàn)。
　　本文通過理論、實

2、驗與仿真針對應變技術小尺寸化所面臨的如小尺寸器件應變性能提升機理,溝道應力增強方法等問題展開了如下研究:
　　1.基于應變技術對硅基材料能帶的改變、載流子散射率和有效質量的減小,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)導致載流子輸運模式的改變,對小尺寸應變器件性能提升機理進行研究。得出應變技術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量方式實現(xiàn),因此小尺寸應變技術應以減小載流子有效質量為目

3、的。同時針對傳統(tǒng)應變技術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變技術或將多種應變技術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構應力分布進行求解,得出彈性形變下平板結構應力分布和應力集中因子與孔形狀的關系。同時采用Sentaurus仿真分析了柵長從15nm到350nm應力集中應變MOS器件溝道應力分布與溝道應力提升機理和器件結構優(yōu)化。得出應力隨孔內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應變技術,二氧化硅和真空孔器件溝道應力分別獲得超過50MPa與150MPa的提升。
　　3.基于Sentaurus有限元求解,針對柵長從15nm到350nm應力集中器件,對比分析了其相對于普通CESL應變器件轉移與輸出特性的提升,壓擺率和DIBL效應及閾值電壓的變化,應力增強導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。得出應力集中器件性能的提升主要得益于溝道應力的提升,其次是孔材料低的

5、介電常數(shù)。當柵長大于20nm時,驅動電流均獲得超過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)化的應力集中器件結構,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技術的器件制作方案,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