基于深槽调制CESL应变的MOS器件设计
应变硅技术是提升亚微米器件性能与增加集成密度最有潜力的方法,它能够有效抑制器件短沟道效应,提升器件开关速度和驱动能力。应变硅技术分为单轴应变技术和双轴应变技术。单轴应变技术相对于双轴应变技术有诸多优势,如面内单轴应力对载流子迁移率提升效果更显著,应用单轴应变技术的器件阈值漂移不明显。 应变CESL(接触刻蚀阻挡层)技术是最主要的单轴应变技术之一,但还存在很多问题:1)NMOS和PMOS需要应力性质相反的单轴应力分别提升性能,这不仅需要分别淀积张、压应力的氮化硅薄膜,还需要增加掩膜来实现分区域淀积,增加了工艺复杂度。2)当器件沟道尺寸进一步缩小时,N-沟道和P-沟道的界限变得不容易区分,更增加了分区淀积的复杂度。为此,本文提出了一种深槽结构用于调制应变 CESL在器件沟道中引入的应力,研究了其调制机理并设计了制作工艺。 首先,探讨了氮化硅薄膜内应力的组成和形成机理,用动态降温的过程模拟了薄膜和衬底系统的热应力,与常用的静态热力学仿真相比,该方法的结果更加接近实际情况,考虑了材料属性随温度的变化。然后基于氮化硅本征应力的形成机理,用H原子在薄膜中的扩散原理建立了硅/氮化硅系统退火引入应力的模型。模型结果与实验数据基本一致。 其次,基于固体物理学中凸起结构能够引起局部区域应力放大的基本原理,利用深槽大台面实现了扩大应力的作用范围,改变应力的张、压性质和强度的效果。深槽大台面在MOS器件中的实现办法是用深槽结构代替传统工艺中的浅槽隔离结构。通过 TCAD辅助研究,发现无介质填充的深槽结构能够在沟道中引入与传统氮化硅盖帽技术相反的应力,并且该技术对刻蚀深宽比没有苛刻的要求,与常规CMOS工艺兼容。此外,仿真结果表明深槽结构对CESL的应力调制效果在短沟道器件中更加明显。电学仿真结果表明覆盖了压应变氮化硅薄膜的深槽结构应变NMOS相对于无应变器件,其驱动能力提升了13.5％。 最后,为了实现准确测量MOS器件沟道区域应力,基于深槽结构MOS器件的制作,提出了在沟道宽度方向添加电极,测量沟道宽度方向的电阻变化,进而计算栅长方向的应变。这一方法基于硅材料压阻系数,建立了器件电学特性和沟道应力的关系,可以实现在不破坏沟道应力的基础上准确测量沟道微小区域的应变。设计了以氮化硅盖帽层为应力源的带有深槽结构应变MOS的制作工艺,该工艺与应变MOS的制作工艺基本兼容。
应变硅技术;接触刻蚀阻挡层;深槽结构;微区应力测量;压阻系数;MOS器件
电子科技大学
硕士
微电子学与固体电子学
于奇
2014
中文
TN386.1
69
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）