纳米MOSFET量子效应模型与寄生电阻分析

论文摘要

集成电路对于高速、高集成度、大信息存储量的追求使得MOS器件的尺寸持续缩小，但是随着MOS器件尺寸的缩小，许多原本在长沟MOS器件中不重要的参数在小尺寸器件中变得显著，并影响器件的性能。因此，有很多的研究报告都在讨论如何使得MOS器件在尺寸缩小的情况下，依然保持长沟道器件的良好特性。在小尺寸MOSFET中，为了减小短沟道效应，采取了增加沟道掺杂和减小栅氧化层厚度等措施。高的掺杂浓度和强的电场使得量子效应对器件的性能影响不可忽视。长期以来，反型层和积累层中的量子效应对MOS器件性能的影响被广泛关注。近期，多晶硅中量子效应对器件性能的影响也被研究。此外，由于源漏延伸(SDE)结构能有效地抑制热载流子效应和短沟道效应，它已成为小尺寸CMOS的标准工艺技术。但是，源漏延伸结构会引起寄生电阻的增加，并且，由于寄生电阻不能随着MOS器件的缩小而缩小，这使得寄生电阻在总的电阻中占有很大的比例，严重影响器件的输出特性和频率特性。本文首先介绍了MOS器件尺寸缩小的趋势，面临的工艺技术和器件物理效应上的挑战，介绍了MOS器件结构、材料和工艺的发展趋势。在对器件量子效应的分析建模上，作者首先对反型层中量子效应进行了分析。基于三角势场近似，通过求解薛定谔方程，得到了载流子的分立能级和对应的波函数，给出了反型层中载流子的分布。从反型层载流子分布出发，建立了表面电容和对应阈值时的表面势解析表达式，分析了反型层量子效应对MOS阈值电压和有效栅电容的影响；接着作者利用数值模拟的结果和曲线拟合，对多晶硅中量子效应进行了解析建模，得到了多晶硅栅中的载流子分布和电压降，研究了多晶硅量子效应对MOS器件阈值电压的影响，定量分析了栅电极电容对有效栅电容的影响。由于寄生电阻不能随着MOS器件的缩小而缩小，使得寄生电阻对MOS器件性能的影响不可忽视，为了准确地预测源漏极寄生电阻，分析器件参数对寄生电阻的影响，一个有效的MOS器件寄生电阻模型对于MOS器件的设计是十分必要的。在寄生电阻的分析中，作者先介绍了长沟道寄生电阻模型和短沟道寄生电阻模型，分析了短沟道MOS寄生电阻模型在栅压较低时存在较大误差的原因。分析认为，误差的原因在计算积累层电荷上。短沟道寄生电阻模型在计算时假设积累层厚度为零，从而得到积累层电荷计算公式，这在栅压小的时候存在较大的误差。根据分析结果，不再假设积累层厚度为零，给出了新的积累层电荷计算方程，对短沟道寄生电阻模型进行了改进，改进的模型经过数值模拟验证，确实能更好的预测MOS器件的寄生电阻。最后作者模拟分析了器件结构参数对源漏寄生电阻的影响，以期能对器件的设计进行指导，提高器件的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 器件尺寸缩小面临的挑战
• 1.2.1 器件尺寸缩小对工艺技术的挑战与发展
• 1.2.2 器件尺寸缩小带来的物理效应
• 1.3 纳米 MOSFET 研究与发展趋势
• 1.3.1 栅极介电层
• 1.3.2 栅电极结构
• 1.3.3 浅结的形成与自对准金属硅化物技术
• 1.3.4 衬底工程
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 纳米 MOSFET 量子效应模型
• 2.1 体硅量子效应模型
• 2.1.1 三角势场近似与沟道载流子分布
• 2.1.2 体硅量子效应对 MOS 阈值电压的影响
• 2.1.3 体硅量子效应对 MOS 栅电容的影响
• 2.2 多晶硅栅量子效应模型
• 2.2.1 多晶硅栅量子效应模型
• 2.2.2 多晶硅栅量子效应对 MOS 阈值电压及其栅电容的影响
• 2.2.3 同时考虑体硅和多晶硅量子效应时的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 纳米 MOSFET 寄生电阻分析
• 3.1 源漏寄生电阻对器件性能的影响
• 3.2 寄生电阻模型
• 3.2.1 长沟道寄生电阻模型
• 3.2.1.1 积累层电阻
• 3.2.1.2 扩展电阻
• 3.2.1.3 深源漏结片电阻
• 3.2.1.4 接触电阻
• 3.2.2 短沟道寄生电阻模型
• 3.2.2.1 栅极对源/漏极延伸区覆盖电阻
• 3.2.2.2 源/漏延伸电阻
• 3.2.2.3 深源漏极电阻
• 3.2.2.4 硅化物-扩散接触电阻
• 3.2.3 短沟道寄生电阻模型的改进
• 3.3 器件参数对 MOS 器件寄生电阻影响分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文