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1、双轴应变硅MOS器件的自热效应研究【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
2、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。.更多还原【Abstract】 With the rapid development of IC technology, it is difficult f
3、or the feature size of device to diminish as Moores Law. Strained silicon is of technological interest for its ability to increase charge carrier mobilities in MOSFETs and thereby improve circuit performance without requiring device scaling. Meanwhile, it is easy for the strained silicon technology
4、to integrate into the standard bulk silicon process flow, which cuts down the cost for new equipments. As a result, it is significant to .更多还原 【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； 【Key words】 Biaxial-strained silicon MOSFET； Self-heating effect； Thermal resistance； Thin SiGe virtual substrate； G
5、ate leakage current； 摘要 3-4 Abstract 4 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
6、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
7、.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
8、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
