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1、第24卷第9期半 导 体 学 报Vol.24,No.92003年9月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSSep.,2003应变SiGe沟道pMOSFET的击穿特性12杨 荣 罗晋生(1中国科学院微电子中心,北京 100029)(2西安交通大学微电子研究所,西安 710049)摘要:以半导体器件二维数值模拟程序Medici为工具,模拟和对比了SiGepMOS同SipMOS的漏结击穿电压随栅极偏压、栅氧化层厚度和衬底浓度的变化关系;研究了SiGepMOS垂直层结构参数硅帽层厚度、SiGe层厚度及+Ge剂量和pδ掺杂对于击
2、穿特性的影响.发现SiGepMOS击穿主要由窄带隙的应变SiGe层决定,击穿电压明显低于SipMOS并随Ge组分增加而降低;SiGe/Si异质结对电场分布产生显著影响,同SipMOS相比电场和碰撞电离具有多峰值分布的特点;Si帽层及SiGe层参数对击穿特性有明显影响,增加p型δ掺杂后SiGepMOS呈现穿通击穿机制.关键词:应变硅锗;pMOSFET;击穿;模拟;分析EEACC:2560B;2560R中图分类号:TN38611 文献标识码:A 文章编号:025324177(2003)0920966206帽层、SiGe沟道层和δ掺杂层还
3、将对电场分布产生1 引言重要影响,因此击穿特性变得复杂,但是此前关于SiGepMOS击穿特性的研究却鲜有报道.本文在击Si中较低的空穴迁移率长期制约着SiCMOS穿理论分析的基础上,以半导体二维数值模拟程序电路的集成度和速度.Si(001)衬底上赝形生长的应[6]Medici为工具,对比了常规SipMOS和SiGe变SiGe材料具有优良的空穴迁移率特性,并且材料pMOS的击穿特性,分析了SiGepMOS击穿电压同生长工艺与常规CMOS工艺兼容较好,因此被作为结构参数之间关系,揭示了其独特的击穿机理.导电沟道用于制作SiGepMOSFET,并
4、取得许多令[1～4]人信服的结果.2 击穿的理论分析[5]SiGe层上直接氧化生长SiO2质量低劣,无法充当栅介质,因此典型的SiGepMOSFET器件在MOSFET击穿特性主要是指漏结击穿和栅绝应变SiGe层上覆盖Si帽层,形成Si/SiGe/Si的垂缘层击穿的特性.由于SiGepMOS器件与栅氧化层直结构.SiGe/Si异质结能带阶主要集中在价带一接触的仍是Si帽层,因而栅击穿特性与常规Si侧,SiGepMOSFET栅上施加负偏压时价带带阶pMOS类似,本文只讨论漏结击穿特性.ΔEv使空穴局域于SiGe层产生埋沟导电,但较高负在热击穿、
5、隧道击穿、雪崩击穿几种机制中,决栅压下表面Si帽层也常常产生寄生的平行导电沟定MOSFET漏击穿特性的一般是雪崩击穿,一维道.根据阈值电压和空穴分布的要求,一般对深亚微近似下其击穿条件用电离积分可表示为米SiGepMOSFET增设p型δ掺杂层及隔离层xxm(spacer),且外延各层采用非故意掺杂(unintentional∫αpexp[-∫(αp-αn)dx′]dx=100(1)doping)以提高空穴迁移率.除SiGe和Si之间的带xmx∫αnexp[-∫(αn-αp)dx′]dx=1隙差异外,SiGepMOSFET在垂直结构上引入的S
6、i00杨 荣 男,1976年出生,博士研究生,现主要研究深亚微米集成电路技术.罗晋生 男,1924年出生,教授,博士生导师,现主要研究半导体新器件、新结构.2002210222收到,2002212231定稿c○2003中国电子学会9期杨 荣等: 应变SiGe沟道pMOSFET的击穿特性967式中 αn、αp分别为电子和空穴的电离率;xm为pnE1:栅漏交迭处半导体表面附近由栅漏偏压引结势垒区宽度.采用有效电离率近似和单边突变结起的栅指向漏的电场;近似,由(1)式最终可得出不同半导体材料雪崩击穿E2:栅沟覆盖处由栅极半导体功函数差引起的[7]
7、电压的经验公式指向体内的电场;Eg)3/2(NBC)-3/4(2)E3、E4:SiGe/Si突变异质结带阶引起的由SiVB=60(1611110指向SiGe的电场; 由(2)式可知,在掺杂浓度相同的情况下,击穿E5、E6:由δ掺杂形成的pn结电场;电压主要由带隙决定,由于应变SiGe带隙小于Si,E7:外延层非故意掺杂引起的衬底2外延高低结它的引入有可能降低SiGepMOS击穿电压.对应变+自建电场.SiGepn结击穿特性的一维模拟结果表明,随Ge可见SiGepMOS电场构成同SipMOS相比是组分增加,反向饱和电流增加(因为本征载流子浓
8、度非常复杂的,并且同垂直层结构和参数关系很大.随Ge组分增加而增大),而击穿电压下降(因为带隙随Ge组分增加而减小),如图1所示.这一机制3SiGepMOS和SipMOS漏结击穿
