新型源漏结构MOSFET的设计和工艺制备研究

论文摘要

随着MOSFET特征尺寸的不断减小,为了有效抑制器件的短沟道效应,一直以来,在MOSFET栅介质层厚度不断减小的同时,其源漏结深也不断减小。然而,随着器件尺寸进一步缩小到纳米尺度,超浅的源漏结深往往导致工艺难度显著增加,寄生效应大幅增强,从而使得源漏技术成为限制MOSFET器件进一步按比例缩小的瓶颈之一。目前,新型源漏技术的研究已成为国际集成电路制造领域的研究热点之一。对此,本文提出了两种新型的源漏技术,并通过模拟和实验进行了系统研究。本文所提出的第一种新型源漏技术为“新型肖特基源漏MOSFET”。源漏问题的一种可能解决方案是采用新的源漏材料,如肖特基源漏。但是,常规肖特基源漏MOSFET都呈现了很高的关态电流。本文提出的肖特基源漏MOSFET有两种结构,一种为“不对称肖特基源漏MOSFET(ASSD MOSFET)”,其特征是:源漏肖特基势垒不对称,源端采用高势垒,漏端采用低势垒。另一种为“双层肖特基源漏MOSFET(DSSD MOSFET)”。其特征为:源漏具有双层结构,上层的肖特基势垒高度较低,用于获得较高的开态电流;而下层的肖特基势垒高度较高,用于限制器件的关态电流。模拟结果显示,以上两种器件结构都可以显著提高器件的关态特性,并且通过调整设计参数可以进一步优化新结构器件的性能。此外,还设计了这两种器件结构的自对准工艺制备方案。本文所提出的第二种新型源漏技术为“TSB MOSFET”。TSB MOSFET的特征是源漏区与衬底间用绝缘层隔开,沟道和衬底连通,沟道区的掺杂采用阶梯函数的掺杂分布。模拟结果表明:TSB MOSFET能够获得比传统体硅器件和UTB器件更好或相似的抑制短沟道效应的能力和按比例缩小能力。设计了一种工艺制备方案并实验制备了TSB MOSFET。实验结果显示:所制备的TSB MOSFET具有与理论分析和模拟结果相一致的特性。同时,还设计了一种用于实现这种新器件结构的自对准工艺制备方法。此外,开发了一种简单廉价可控性较强的超薄Fin条制备技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 MOS 技术发展回顾
• 1.2 纳米 MOSFET 器件中的源漏问题
• 1.2.1 源漏穿通及漏致势垒降低（DIBL）效应
• 1.2.2 超浅结和突变结的形成
• 1.2.3 源漏寄生电阻和寄生电容的限制
• 1.3 源漏工程及其限制
• 1.3.1 采用Halo 掺杂的体硅MOSFET
• 1.3.2 具有抬高源漏的UTB 结构
• 1.3.3 硅化物源漏
• 1.4 本文的贡献和内容组织
• 第二章 Schottky S/D MOSFET 的设计
• 2.1 引言
• 2.2 Schottky S/D MOSFET 的工作原理和特性分析
• 2.2.1 Schottky S/D MOSFET 的工作原理
• 2.2.2 势垒高度对Schottky S/D MOSFET 特性的影响
• 2.2.3 沟道掺杂对器件特性的影响
• 2.2.4 衬底类型对器件特性的影响
• 2.2.5 小结
• 2.3 不对称 Schottky S/D MOSFET 的设计和特性分析
• 2.3.1 器件结构设计
• 2.3.2 器件的特性分析和模拟结果讨论
• 2.3.3 器件的工艺制备方案
• 2.3.4 小结
• 2.4 双层Schottky S/D MOSFET 的设计和工艺制备研究
• 2.4.1 器件结构设计
• 2.4.2 器件的特性分析和模拟结果讨论
• 2.4.3 器件的自对准工艺制备方案
• 2.4.4 小结
• 2.5 本章小结
• 第三章 TSB MOSFET 的设计和工艺制备研究
• 3.1 引言
• 3.2 TSB MOSFET 的结构和短沟特性分析
• 3.2.1 器件结构设计
• 3.2.2 短沟道性能的模拟结果分析
• 3.2.3 肖特基源漏TSB MOSFET 的特性分析
• 3.2.4 小结
• 3.3 TSB MOSFET 的工艺制备研究
• 3.3.1 工艺制备流程和实验步骤
• 3.3.2 实验结果与讨论
• 3.3.3 自对准TSB MOSFET 工艺制备方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 超薄Fin 条的工艺制备研究
• 4.1 引言
• 4.2 工艺制备方案与实验步骤
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表和投寄的论文
• 致谢