（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）rf+cmos中淺溝槽隔離對mosfet器件行為的影響和模型研究.pdf

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近年來 集成電路設(shè)計得到了迅猛的發(fā)展 對集成電路設(shè)計的精度要求也在不斷提高 而電路設(shè)計精度的提高是建立在精確的器件模型的基礎(chǔ)上 器件模型連接了電路設(shè)計與工藝 生產(chǎn) 起到了橋梁的作用 精確的模型不僅可以提高設(shè)計精度 還可以節(jié)約設(shè)計成本 縮短 設(shè)計周期 現(xiàn)今為大家所熟知的m o s f e t 器件在電路設(shè)計中發(fā)揮著很大的作用 因此建立 m o s f e t 器件的準確模型顯得尤為重要 本文主要研究了m o s f e t 器件r fc m o s 新工藝 淺溝 槽隔離技術(shù) 對器件電學(xué)特性的影響 建立淺溝槽隔離技術(shù)產(chǎn)生的應(yīng)力的模型 該應(yīng)力主要源 于淺溝槽氧化物和硅基硅材料的熱膨脹系數(shù)不同 本文內(nèi)容簡要如下 1 本文從r fc m o s 工藝的角度具體分析了淺溝槽隔離技術(shù)工藝 并基于i b m9 0 r i mr f c m o s 工藝 通過用t c a d 仿真工具研究了該技術(shù)對m o s f e t 性能的影響 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) s t i 應(yīng)力影響了溝道摻雜濃度和應(yīng)力分布 特別是在s t i 結(jié)構(gòu)的拐角處 至此 還發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對器 件閾值電壓和飽和電流有2 0 5 的影響 2 本文通過全局模型的建立方法 用i c c a p 軟件建立基本模型 包括d c 和l 強部分 在此基礎(chǔ)上 根據(jù)應(yīng)力的作用機制 設(shè)計用于分析應(yīng)力參數(shù)s a s b 和s t i w 影響的器件結(jié)構(gòu) 并經(jīng)流片 測試 提取模型參數(shù) 最終建立基于b s i m 4 模型的應(yīng)力模型 該應(yīng)力模型在 5 0 m h z 3 0 0 5 g h z 范圍內(nèi)得到驗證 根據(jù)本文的設(shè)計目標(biāo) 分析了淺溝槽隔離對m o s f e t 的 影響 建立了該應(yīng)力模型 并且該模型仿真結(jié)果與測試結(jié)果擬合良好 事實上 應(yīng)力對器件 性能影響的兩個主要表現(xiàn)就是遷移率的變化 即對飽和電流的影響 和溝道摻雜濃度的改變 即對閾值電壓的影響 因此文中給出了它們隨應(yīng)力參數(shù)的變化曲線 在模型建立過程中還 發(fā)現(xiàn)對于一些特殊尺寸的m o s 器件 特別是小尺寸 應(yīng)力的影響很大 精確的應(yīng)力模型至關(guān) 重要 本文的模型可應(yīng)用到目前6 5 n m 工藝中 并能精確地表征器件的電學(xué)特性 關(guān)鍵詞 b s i m 4 淺溝槽隔離技術(shù) r fm o s f e t 模型 r fc m o s 工藝 s a s b s t i w 應(yīng) 力模型 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s i n t e g r a t e dc i r c u i t so c d e s i g nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y a n di cd e s i g np r e c i s i o n r e q u i r e m e n t sa r ec o n s t a n t l yi m p r o v e d f o re n s u r i n gi cd e s i g np r e c i s i o n t oe s t a b l i s hp r e c i s ed e v i c e m o d e li sn e e d e d b e c a u s eo f d e v i c em o d e li st h eb r i d g eb e t w e e nt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g na n d f o u n d r i e s n o to n l yc a l li m p r o v ed e s i g np r e c i s i o n b u ta l s oc a l ls a v ed e s i g nc o s t s h o r t e nt h ed e s i g n c y c l e w h a ti sn o w w e l lk n o w nm o s f e td e v i c ei nt h ei cd e s i g np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e s o b u i l d i n ga ne x a c tm o d e lf o rm o s f e t d e v i c eb e c o m e sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r t h en e w t e c h n o l o g y s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n s t i o fl uc m o sf o rm o s f e td e v i c ei n f l u e n c e so ne l e c t r i c p r o p e r t i e s a n dt h e na m o d e li n c l u d e ds t i i n d u c e ds t r e s sw i l lb ee s t a b l i s h e d t l l i ss t r e s si sc a u s e d b yt h ed i f f e r e n c et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e ns ia n ds i 0 2 n l ep a p e rb r i e f l yc o n t e n ta s f o l l o w s 1 珊sp a p e r a c c o r d i n gt or fc m o sp r o c e s sc o n c r e t e l ya n a l y z e ss h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n t e c h n o l o g y a n db a s e do ni b m9 0 n mr fc m o sp r o c e s ss t u d i e st h ee f f e c to ft h i st e c h n o l o g yo n m o s f e tc h a r a c t e r i s t i c i nt h i sp r o c e s s w et a k et h et c a ds o f t w a r eo fs e n t a u r u st os i m u l a t e t h e n t h es t u d yf o u n dt h a tt h ei n f l u e n c eo fs t i i n d u c e ds t r e s so nc h a n n e ld o p i n gd i s t r i b u t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n e s p e c i a l l yi nt h ec o m e ro fs t i s of a r i ta l s of o u n dt h a tt h i ss t r u c t u r ei n f l u e n c eo n t h r e s h o l dv o l t a g ea n ds a t u r a t e dc u r r e n ta m o n g2 5 2 1 1 1 i sp a p e rg i v e sam o d e lw h i c hi n c l u d e sd ca n dr fm o d e l a n di ss e tu pb yu s i n gt h e m e t h o do fe s t a b l i s h i n gg l o b a lm o d e l i nt h ep r o c e s s i c c a ps o f t w a r ei su s e d o nt h i sb a s i s a n d t h e nc o n s i d e r i n gs t r e s sm e c h a n i s mo fa c t i o n t h es t r u c t u r e so fe x p l a i n i n gt h ee f f e c to nd e v i c e p e r f o r m a n c eo fs t r e s sp a r a m e t e r ss t i w s a s ba r ed e s i g n e d t h e nf o l l o w i n gas e r i e so fs t e p s p r o c e s s t a p e o u t t e s t i n g e x t r a c t i n gm o d e lp a r a m e t e r s f i n a l l y ab a s e do nb s i m 4s t r e s sm o d e li s b u i l t a n dt h i sm o d e li sv e r i f i e db yt h em e a s u r e dd a t af r o m5 0m h zt o3 0 0 5g h z a c c o r d i n gt ot h e d e s i g ng o a lo ft h i sp a p e r a n a l y s i st h ee f f e c to f s t io nm o s f e t e s t a b l i s h e dt h es t r e s sm o d e l a n d g o tw e l lf i t t i n gr e s u l tb e t w e e nm o d e ls i m u l a t i o nd a t aa n dt e s td a t a i nf a c t t h et w om a j o ri n f l u e n c e s o nd e v i c ea r et h ec h a n g e so fm o b i l i t y i e a f f e c to ns a t u r a t e dd r a i nc u r r e n t a n dc h a n n e ld o p i n g c o n c e n t r a t i o n i e a f f e c to nt h r e s h o l dv o l t a g e n ep a p e rg i v e st h ec u r v e so ft h r e s h o l dv o l m g ea n d s a t u r a t e dd r a i nc u r r e n tw i t hs t r e s sp a r a m e t e r sa sw e l l i na d d i t i o n s o m ep a r t i c u l a rs i z em o s d e v i c e s e s p e c i a l l ys m a l ls i z ed e v i c e t h ee f f e c to fs t r e s si sv e r yl a r g e s ot h a ta l la c c u r a c ys t r e s s m o d e lp l a yac r u c i a lr o l e i nt h i sp a p e r t h em o d e lc a nb eu s e di n6 5 n mp r o c e s s a n de x p r e s sd e v i c ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c a c c u r a t e l y h 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 k e yw o r d s b s i m 4 s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o nt e c h n o l o g y r fm o s f e tm o d e l r fc m o s t e c h n o l o g y s a j s b s t i w s t r e s sm o d e l i i 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 引言 過去的二 三十年是i c 技術(shù)發(fā)展大爆炸的幾十年 但是半導(dǎo)體器件已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史 早在2 0 世紀3 0 年代初就有科學(xué)家l i l i e n t i e l d i l l 提出了金屬 氧化物 半導(dǎo)體晶體管 m o s f e t 的工作原理 但由于當(dāng)時技術(shù)的限制 直到1 9 6 0 年 k a n g 和a t a l l a 2 3 l 才報道了第一塊利用 硅半導(dǎo)體材料制成的m o s 晶體管 而在1 9 6 4 年s n o w g r o v e d e a l 和s a h 等人1 4 j 提出了采 用常規(guī)的方法生長高可靠氧化物技術(shù) 至此m o s 產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展 目前 c m o s c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r 工藝已經(jīng)到達納米量級 集成規(guī)模也在不斷擴大 并已成為現(xiàn)今大規(guī)模集成電路的主流工藝技術(shù) c m o s 工藝是將p m o s 和n m o s 集成在同 一襯底上 主要有體硅結(jié)構(gòu)和s o i s i l i c o n o n i n s u l a t o r 絕緣襯底上硅 結(jié)構(gòu)兩種 而體硅結(jié) 構(gòu)較為常見 早期的射頻電路 r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t r f i c 大多使用像g a a sm e s f e t h e m t h i g h e l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r 和h b t h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r 等結(jié)構(gòu)器件 采用g a a s s i 雙極型和s i g e 等工藝 而隨著c m o s 工藝的發(fā)展 m o s 器件的性能大幅度 提升 c m o s 工藝下m o s 場效應(yīng)管的截止頻率 已經(jīng)達到了幾百個g h z 其應(yīng)用領(lǐng)域越 來越廣 基于硅基m o s 器件的射頻電路已在通信等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用 目前r fc m o s 工藝 發(fā)展已經(jīng)相對成熟 并且功耗低 速度快 抗干擾性強 集成度高等眾多優(yōu)點使它成為了射 頻集成電路功能性能實現(xiàn)的一個重要選擇 應(yīng)用前景很廣 也是當(dāng)前c m o s 集成電路研究的 一個熱點和重點 1 2 集成電路的發(fā)展及摩爾定律 1 9 6 5 年 摩爾在文章中指出 芯片中的晶體管不斷縮小體積數(shù)量每年會翻番 即半導(dǎo)體 性能和芯片的集成度將以指數(shù)增長 并且認為這種變化趨勢將繼續(xù)延續(xù)下去1 5 j 1 9 7 0 年 以 摩爾命名的摩爾定律被提出來 微處理器單芯片上的晶體管數(shù)每1 8 2 4 個月翻一番 英特爾 處理器的發(fā)展?fàn)顩r確實證明了摩爾定律的正確性 后來在1 9 7 5 年被修正為每隔1 8 個月翻一 番 發(fā)展到今天 摩爾定律已經(jīng)成為一個推動集成電路發(fā)展的強有力的驅(qū)動 實踐證明 制 造集成電路的最小尺寸大小不斷地呈指數(shù)迅速縮小 人類研究半導(dǎo)體器件已經(jīng)超過1 2 5 年 根據(jù)摩爾定律 從以前的微米時代 到現(xiàn)在的納 米時代 然而隨著尺寸的不斷縮小 集成電路的發(fā)展將面臨很多的挑戰(zhàn) 國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā) 展路線圖就是在這樣的一個挑戰(zhàn)中誕生1 6 1 究竟需要研發(fā)什么樣的技術(shù)才能繼續(xù)沿著摩爾定 律指引的方向前進 可以預(yù)計 在下一個十年期的末期 將通過使用多種新型器件來增強 c m o s 工藝的能力 實現(xiàn)超越c m o s 現(xiàn)有器件的某些性能 即使對c m o s 工藝按比例縮小 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 最樂觀的估計也會遇到問題 按照目前工藝設(shè)備和工廠成本的發(fā)展趨勢 很難想象還能繼續(xù) 支撐1 5 年 而c m o s 工藝的新型器件很可能將從人們熟悉的非平面c m o s 器件到更新奇的 器件 例如自旋器件等 根據(jù)圖1 1 摩爾定律及其拓展圖 縱向為在摩爾定律上進一步發(fā)展 按比例縮小 基于 硅的c m o s7 藝越來越多的晶體管可以集中到一個芯片上 這樣的系統(tǒng)級芯片 s y s t e m 0 1 1 c h i p s o c 的主要功能就是數(shù)據(jù)存儲和數(shù)字信號的處理 而在水平方向上 后 摩爾時代 m o r et h a nm o o r e 更多的發(fā)展 即很多功能性的需求 如功耗 r f 通信帶寬 無 源器件 傳感器及生物功能等 1 7 都無法按摩爾定律那樣按比例縮小 事實上 在很多情況 下 都需要非c m o s 的解決方案 后摩爾時代的方法通常允許使用非數(shù)字的模型功能 例如 射頻通訊 功率控制 無源元件 傳感器和激勵器 使板級系統(tǒng)集成為封裝系統(tǒng) s y s t e m i n p a c k a g e s i p 或芯片級系統(tǒng) s o c 此外 還可以將復(fù)雜的嵌入式軟件緊密地 集成到s o c 和s i p 中去 后摩爾時代的目標(biāo)是將數(shù)字和非數(shù)字的加入到緊湊的系統(tǒng)中去 在 工業(yè)界發(fā)展進程中 后摩爾時代的相對比重將越來越大 圖1 1 摩爾定律及其拓展 半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展 發(fā)生了翻天覆地的變化 將摩爾定律體現(xiàn)得淋漓盡致 然而為保證m o s f e t 器件按照等比例縮小規(guī)則 如圖1 2 發(fā)展 不斷進行工藝改進 根據(jù) 圖1 2 所示 從工藝的角度看 摩爾定律指出尺寸的縮放使集成度不斷提高 r d e n n a r d l 8 使 該定律概念化 即當(dāng)臨界尺寸減小時 保證恒定的電場常數(shù) 同時可以得到高速 低功耗的 數(shù)字m o s 電路 而高速和低功耗已經(jīng)成為微電子行業(yè)提高集成度的驅(qū)動力1 9 1 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 d i m e n s i o n st o l wl a d o p i n g a v o l t a g e l a i n t e g r a t i o n a d e l a y 1 a p o w e rd i s s i p a t i o n t r1 a e l e c t r i cf i e l del 圖1 2 根據(jù)恒定場縮放理論說明當(dāng)臨界尺寸等比例縮放時 高速和低功耗的數(shù)字m o s 電路 在摩爾定律的發(fā)展方向上 器件尺寸的不斷縮小 各種新的半導(dǎo)體工藝出現(xiàn)了 在隔離 技術(shù)方面經(jīng)歷了巨大發(fā)展 微電子工藝進入深亞微米后 由于m o s 集成電路是所有的器件 都集成在一個硅襯底上 為了實現(xiàn)高密度 高性能的v l s i 電路 隔離及平坦化工藝就顯得 越來越重要 淺槽隔離 s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n s 1 1 技術(shù)應(yīng)運而生 傳統(tǒng)的隔離工藝硅的 局域氧化工藝 也就是l o c o s l o c a lo x i d a t i o no f s i l i c o n 工藝 主要是用在o 2 5 微米以上 線寬的制造工藝中 硅的局域氧化工藝是一個非常成熟的工藝 而當(dāng)半導(dǎo)體制造技術(shù)節(jié)點降 到0 2 5 微米以下后 該項技術(shù)不再適用于器件隔離 人們開始把目光投向了淺溝槽隔離技術(shù) 淺溝槽隔離克服了l o c o s 工藝的局限性 并完全代替了該技術(shù) s t i 已經(jīng)成為亞微米尺度 的主流隔離技術(shù) 為半導(dǎo)體的發(fā)展做出了巨大貢獻 在下面的章節(jié)中將會另外對s t i 做詳細 的介紹 1 3 射頻m o s f e t 模型的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著c m o s 工藝的不斷發(fā)展進步 集成電路工藝已經(jīng)發(fā)展到了納米尺度 特征尺寸不斷 縮小 工藝也越來越復(fù)雜 器件建模是溝通集成電路 i n t e g r a t e dc i r c u i t i c 設(shè)計與集成電 路制造的橋梁 精準的器件模型對于電路設(shè)計是非常重要的 模型越可靠準確 設(shè)計出來的 電路性能才能更加真實可信 從而縮短電路設(shè)計的周期 節(jié)約成本 然而模型的復(fù)雜度隨著 尺寸縮小 工藝越來越復(fù)雜在進一步提高 因此建立模型還需要充分考慮效率問題 模型的發(fā)展也經(jīng)歷了從一開始的物理模型 到后來的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?發(fā)展到現(xiàn)在為大家所公 認的基于物理的緊湊模型 即c o m p a c t 模型 c o m p a c t 模型是一種盡可能簡單的 同時可以 減少仿真時間的模型 因此 以建立一個精準的c o m p a c t 模型為目的的器件建模 能使設(shè)計 的電路更加穩(wěn)定 高速 接近實際 可以說 追求模型精度和計算效率是m o s f e tc o m p a c t 模型發(fā)展的推動力 這也是c a d 工作者的重要任務(wù) 也是現(xiàn)今國際上研究的重點和熱點 隨 著m o s 器件性能的提高 c m o s 集成電路的應(yīng)用也越來越廣泛 其中兩個主要應(yīng)用就是射 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 頻應(yīng)用和功率應(yīng)用 射頻器件和功率器件的建模就顯得尤為重要 本文主要是針對射頻器件 建模 m o s f e t 模型起先是針對數(shù)字和低頻模擬電路設(shè)計開發(fā)的 其重點表征在m h z 范圍 內(nèi)的直流漏電流 電導(dǎo)和本征電荷 電容行為 然而隨著工作頻率提高到g h z 范圍內(nèi) 器件 非本征部分對性能的影響逐漸加強 為了得到足夠精度的射頻模型必須考慮本征和非本征部 分的行為 因此在r f 設(shè)計中 兼顧本征和寄生部分高頻行為的模型就顯得很重要了 目前在c m o s 射頻集成電路設(shè)計廣泛應(yīng)用的推動下 射頻m o s f e t 模型已經(jīng)成為模型 研究的熱點 射頻m o s f e t 模型的研究的一個重點是基于m o s f e t 模型的子電路的建立 l o 并能考慮版圖的各種寄生效應(yīng) 如互連線寄生 高頻寄生 電容 電感 因此 射頻m o s f e t 模型的研究包括 正確理解器件高頻特性 設(shè)計去嵌結(jié)構(gòu) 創(chuàng)建子電路 并對子電路各元件 進行適當(dāng)?shù)膮?shù)提取 優(yōu)化模型 如圖1 3 為m o s f e t 器件的界面圖和等效電路圖 j 該等 效電路圖包括器件內(nèi)部模型以及外部寄生等效電路模型 如襯底網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) r r c 唧 和c g d o 等 時 t 0 譬存彈耐 f r o q 葉島c 如 mn c no r m m l 島i f 抽h f m t 圖1 3n m o s f e t 的等效電路圖 近幾年來 射頻m o s 場效應(yīng)管模型研究取得了明顯的成效 s h i j i n g y a o 1 2 l 等提出了多指 器件的緊湊模型 在納米級尺寸下r f 和小信號參數(shù)提取方法方面 據(jù)報道s e o n g j a ec h o t l 3 j 等通過三維仿真建立了n a n o w i r em o s f e t s 模型 深亞微米下j 一yk i m m 等提出了一種新 的精確提取r f 模型的方法 即通過精確計算源漏重疊 o v e r l a p 和耗盡 d e p l e t i o n 長度 但是與用于數(shù)字和低頻模擬應(yīng)用的m o s f e t 模型相比 r fm o s f e t 的模型仍處在初步發(fā)展 階段 為使射頻m o s f e t 模型達到成熟的水平 應(yīng)進一步提高描述模型小信號特性 噪聲特 性 失真特性及非準靜態(tài) n o n q u a s i s t a t i c n q s 特性的準確性 優(yōu)化參數(shù)提取方法 在工 藝方面 新工藝s t i 結(jié)構(gòu)的隔離作用在射頻效應(yīng)中有一定的影響 但是它對d c 的影響更為 顯著 這種隔離技術(shù)還可以大大地減小了版圖面積 節(jié)約了成本 提高了設(shè)計集成度 1 4 論文的主要工作和結(jié)構(gòu) 本文針對r fc m o s 工藝 分析了新工藝淺溝槽隔離對m o s f e t 的影響 建立了該應(yīng)力 模型 在半導(dǎo)體工藝技術(shù)進入o 1 3 1 x m 后應(yīng)力對器件行為的影響越來越大 它所產(chǎn)生影響不再 4 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 能被忽略 在某種程度上 已經(jīng)成為影響m o s f e t 行為諸如載流子遷移率 閾值電壓 漏致 勢壘降低效應(yīng)的主要因素了 淺溝槽隔離技術(shù)對器件的影響已經(jīng)成為工業(yè)界關(guān)注的熱點 本 文結(jié)合已有的b s i m 4 模型 t c a d s e n t a u r u s 仿真及測試結(jié)果 重點研究s t i 應(yīng)力對射頻 器件的影響 建立更加精確的c o m p a c t 模型 包括d c 和i 強 所選用的b s i m 4 模型從直流 到交流 以及到高頻階段都有完整物理特性模型及相關(guān)電路仿真表達公式 彌補了b s i m 3 v 3 在高頻段的不足之處l j 如 通過加入柵極與襯底電阻網(wǎng)絡(luò)改善高頻下輸入輸出阻抗特性 考慮了由s t i 應(yīng)力引起的對器件性能的影響等 因此 隨著器件特征尺寸的下降 特別是進 入深亞微米階段 d e e p s u b m i c r o n 后 研究b s i m 4 模型及其r f 模型具有重大的現(xiàn)實意義 本論文各章安排如下 第1 章為緒論 介紹m o s f e t 模型的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢 闡述了模 型發(fā)展趨勢 模型研究的意義 第2 章為m o s f e t 模型和r fc m o s 工藝 首先介紹模型的 發(fā)展歷史 l e v e ll l e v e l3 b s i m 模型 基于電荷和表面勢的模型等 然后根據(jù)現(xiàn)今模型的 特點 介紹了模型可能的發(fā)展趨勢 在新的工藝技術(shù)下模型將在基于物理模型的發(fā)展方向上 前進 最后還介紹了r fc m o s 工藝及存在的問題 第3 章淺溝槽隔離技術(shù)及模型這樣主 要討論淺溝槽隔離技術(shù)工藝特點 淺溝槽隔離所產(chǎn)生的應(yīng)力作用機制以及現(xiàn)今淺溝槽隔離應(yīng) 力影響模型的發(fā)展?fàn)顩r 首先 詳細介紹了淺溝槽隔離技術(shù)工藝 然后 根據(jù)壓阻效應(yīng)從能 帶的角度分析了淺溝槽應(yīng)力的作用機制 是在理論層面上所進行的闡述 最后 根據(jù)i b m9 0 n m 工藝 使用t c a ds e n t a u r u s 軟件仿真了具有s t i 結(jié)構(gòu)的n m o s 場效應(yīng)管 包括單指 兩指 和3 2 指 為了更好的用于分析淺溝槽對器件的各種影響 還對應(yīng)的仿真了無s t i 結(jié)構(gòu)場效應(yīng) 管 通過給出曲線圖來說明這些不同之處 另外還仿真了不同s t i w 結(jié)構(gòu)下的特性曲線變化 第4 章為b s i m 4 應(yīng)力模型建模 主要介紹了建模的基本流程 b s i m 4 的閾值電壓模型和應(yīng)力 模型 最后介紹了s t i 應(yīng)力模型現(xiàn)階段的研究狀況 第5 章為建立s t i 應(yīng)力模型 這章主要 將基于b s i m 4 模型分析應(yīng)力對器件d c 和i 江性能的影響 應(yīng)力分析分為兩個方面 即s a s b 和s t i w 誘導(dǎo)的兩種應(yīng)力情況 建立應(yīng)力模型 第6 章為總結(jié)與展望 對本論文工作進行總 結(jié)和對進一步工作的展望 5 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章m o s f e t 模型和r fc m o s 工藝 模型是對真實世界中事物行為的描述 是為了讓人們更加簡便地理解和描述真實世界的 事物 然后對物理實物或者自然現(xiàn)象作邏輯抽象 它拋開了物理實物的表象 抽出其內(nèi)在的 物理性質(zhì) 運用各種數(shù)學(xué)工具 使之歸結(jié)為一系列數(shù)學(xué)方程或者程序 就像m o s 模型 就 是對該器件行為的描述 模型開發(fā)者開發(fā)出來的模型最終將嵌入電路設(shè)計c a d 工具里 在電 路設(shè)計仿真中可以直接調(diào)用 模型作為連接半導(dǎo)體生產(chǎn)商與電路設(shè)計者之間的橋梁 是半導(dǎo) 體行業(yè)不可或缺的一環(huán) 隨著工藝的不斷改進和對器件物理效應(yīng)的不斷深入了解 m o s 模型 經(jīng)歷了長時間的發(fā)展 2 1m o s f e t 模型發(fā)展歷史 在射頻m o s f e t 模型中已經(jīng)提到 一個準確的模型對于電路設(shè)計來說是至關(guān)重要的 事 實上 模型就是對器件行為特性的準確描述 考慮包括溫度 尺寸 工藝參數(shù)和頻率的影響 自2 0 世紀6 0 年代中期建立了第一個m o s 模型以來 1 6 1 人們?yōu)榱颂岣咛卣鞒叽绮粩嗫s小的 器件的模型準確性 進行了大量的研究工作 從六十年代中期到七十年代末 為了使溝道長 度減d nl l u n 的m o s f e t 模擬和實際測量特性之間有一個合理的精度 人們相繼建立了包 含了高階效應(yīng)的l e v e ll l e v e l3 模型 此后 到了八十年代中期 a t t a m e r i c a l lt e l e p h o n e t e l e g r a p h 貝爾實驗室提出了簡單短溝道i g f e t i s o l a t e dg a t ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r 模型 c s i m u cb e r k e l e y 報導(dǎo)了短溝道i g f e t 模型b s i m 但實踐證明 這些模型不適用于電路 模擬設(shè)計 在8 0 年代末到9 0 年代初 人們又相繼推出了b s i m 2 h s p i c el e v e l2 8 模型 b s i m 3 等一系列模型 而一個模型的應(yīng)用主要由以下兩個因素決定 一是不同尺寸的器件在不同的 工作范圍內(nèi)所能提供的精度 再就是模型參數(shù)提取的容易程度和仿真的效率 根據(jù)模型發(fā)展的歷程及特點 發(fā)展至今的模型大致可分為三代 1 第一代模型l e v e ll l e v e l3 特點是通過一些方程式描述器件特性 而這些方程以 及方程中的參數(shù)都有明確的物理意義的 當(dāng)時的技術(shù)條件下 所需要考慮的物理效應(yīng)較為簡 單 因此 所建立的模型物理意義明確 模型也相對簡單 它們構(gòu)成了最初的b e r k e l e ys p i c e 但是當(dāng)器件尺寸進入到亞微米后 特別是進入納米尺寸 物理意義明確 模型準確 運算效 率高的解析式的建立變得很困難 2 第二代m o s 模型克服了模型l e v e l1 l e v e l3 的不足 其代表模型主要包括b s i m b s i m 2 和h s p i c el e v e l2 8 模型 b s i m 采用一種與l e v e ll l e v e l3 不同的方法 加入大量 的經(jīng)驗參數(shù)來簡化這些方程 不足之處是與器件物理工作機理失去了聯(lián)系 b s i m 模型的一 個主要特點就是通過增加一個簡單的關(guān)系式來表示器件參數(shù)和幾何尺寸的依賴關(guān)系 這種關(guān) 系就可以建成一個可縮放的 s c a l a b l e 模型 該關(guān)系式如式 2 1 所示 6 杭州電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 肚昂 考十等 億d b s i m 大約使用了5 0 個參數(shù) p o 是長而寬器件的參數(shù)值 如果l i f w e w o o 則p p 0 僅p d p 是擬合因子 然而在小尺寸下 b s i m 擬合的結(jié)果精度會比較低 實測結(jié)果表明 對 于溝道長度小于0 8 p m b s i m 預(yù)計的m o s 飽和區(qū)輸出電阻是負值等難以捉摸的問題 比 起b s i m 模型 b s i m 2 對遷移率和亞閾值傳輸采用了新的表達式 它需要約7 0 個參數(shù) h s p i c el e v e l2 8 提高了模型參數(shù)與幾何尺寸的關(guān)系精度 即表達式 h 州圭專壩古一耖隹1 一專 c 古一寺 億2 l 曲w o 表示一個 參考 器件 即已經(jīng)測量出特性的晶體管 的尺寸 3 第三代模型回歸到比較簡單的模型結(jié)構(gòu) 它避免了第二代模型的很大程度上依賴參 數(shù)提取 有很多限定方程和沒有明確物理意義的經(jīng)驗參數(shù)的問題 使用了比較少的模型參數(shù) 并且這些參數(shù)是基于物理而非經(jīng)驗的 它應(yīng)用平滑函數(shù)來表示單個方程描述電流 電壓 i v 和電容 電壓 c v 特性 并保證i v c v 有良好的連續(xù)性 代表模型有b s i m 3 和m o sm o d e l 9 這兩個模型都是基于v t i l 的緊湊模型 c o m p a c tm o d e l b s i m 31 是完全建立物理模型基礎(chǔ)上 為提高模型的準確性 引入了擬合參數(shù) b s i m 3 通過引入的曲線平滑功能 使得在s p i c e 仿真引擎下m o s f e t 電流 電荷 電容和電導(dǎo)的 曲線平滑 連續(xù)而且具有很快的收斂性 b s i m 3 v 3 模型在1 9 9 5 年由e i a c m c c o m p a c tm o d e l c o u n c i l 定為工業(yè)界的第一個準m o s f e t 緊湊模型l l 引 m o sm o d e l9 m m9 1 1 9 l 恩智浦公司 n x f 原隸屬于p h i l i p s 開發(fā)的基于物理的解析 模型 這些模型可以用于模擬應(yīng)用的電路仿真和設(shè)計 它對器件電學(xué)特性的相關(guān)區(qū)域都有很 好的描述 例如亞閾值電流 襯底電流和輸出電導(dǎo)等 m o sm o d e l9 可以僅僅通過設(shè)置一 個參數(shù)就可以描述覆蓋長寬范圍很廣的器件所有器件 除了上述兩個模型以外 基于v t l l 的模型還有在b s i m 3 基礎(chǔ)上做了改進的b s i m 4 模型 有以下幾個方面 1 精確地內(nèi)部輸入電阻新模型 可以應(yīng)用于包括i 疆 高頻模擬和高速數(shù)字 電路 2 靈活的襯底電阻網(wǎng)絡(luò) 3 新的精確的溝道熱噪聲模型和柵極誘導(dǎo)的噪聲分割模型 4 與基于 r f 模型一致的非準靜態(tài)模型 n o n q u a s i s t a t i c n q s 和考慮了n q s 影響跨導(dǎo)和 電容的a c 模型 5 精確的柵致隧穿模型 6 基于版圖寄生的模型 如變化的源漏極接觸位 置和多指器件 7 改進了垂直摻雜分布模型 8 非對稱和依賴源漏極偏置電阻模型 9 包含 參數(shù)電學(xué)和物理柵厚度 用戶可以選擇輸入 1 0 對i v 和c v 都考慮了量子機制電荷厚度 1 1 在b s i m 系列模型中 首次提出了柵致勢壘泄漏 g a t e i n d u c e dd r a i nl e a k a g e g i d l 的電 流模型 1 2 區(qū)分了源漏結(jié)二極管的 和c v 特性等 基于反型層電荷q j 的典型模型有e k v 和b s i m 5 模型 2 0 l e k v 是在以降低器件的功耗的背景下產(chǎn)生 電路功耗要求不斷降低 電路設(shè)計者逐漸將 7 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 器件的工作點置于閾值電壓附近 在這樣的背景下 它應(yīng)運而生了 e k v 模型的基本方程最 早由e n z o k r u m m e n a c h e r 和v i t t o z 在上個世紀九十年代提出 2 1 1 后由瑞士聯(lián)邦科技學(xué)院開 發(fā) e k v 模型采用了以體電勢作為參考電勢 重新定義漏極電流 即漏極電流同時包含受源 極控制和受漏極控制的電流 這樣的處理使得當(dāng)v d s 0 時模型仍然有效 至此 該模型滿足 對稱性 在體效應(yīng)方面它要優(yōu)于b s i m 3 從參數(shù)角度上來說 它更加的簡單 僅包含1 8 個 直流參數(shù) 模型的提取顯得很方便快捷 目前 e k v 3 0 也已于2 0 0 0 年發(fā)布 2 2 1 而最流行的 版本為e k v 2 6 是1 9 9 7 年發(fā)表的 該模型已經(jīng)嵌入到a d s a i m s p i c e s t a r h s p i c e 等仿 真器中 b s i m 5 模型是b s i m 研發(fā)小組又于2 0 0 2 年提出的基于反型層電荷的模型 2 3 1 b s i m 5 模 型是一個連續(xù)的 完全對稱的以及精確的基于電荷的模型 與前面基于電荷的模型比較看來 b s i m 5 是直接從p o i s s o n 方程和p a o s a h 電流公式得出 因為其基本變量仍為電荷 所以不屬 于基于表面勢模型 b s i m 5 模型采用了的高斯邊界條件是基于緩變溝道近似 g r a d u a lc h a n n e l a p p r o x i m a t i o n g c a 的 模型主要包括電荷方程和電流方程兩個方程 2 4 1 即 1 1 1 馬4 二塑坐一 一2 啡一a l o g 導(dǎo) 2 3 忡乞等 譬屺嘞 億4 其中0 為理想因子 a l c d c o x 1 g 分別為歸一化電壓及反型電荷量 b s i m 5 的物 理效應(yīng)是直接從方程中導(dǎo)出來的 因而模型的物理意義更加準確 b s i m5 模型使用一系列單 一的方程來計算所有偏置區(qū)的電荷 它可以相對簡單地包含窄溝效應(yīng) 短溝效應(yīng) 多晶硅耗 盡效應(yīng) 量子機制效應(yīng)等 2 5 1 由于b s i m 5 靈活的結(jié)構(gòu)能夠覆蓋b s i m 4 所建立的精確模型 充分考慮由于器件的物理效應(yīng)或者工藝導(dǎo)致的對器件行為的影響 該模型的c v 方程是從滿 足對稱性的i v 方程中得出 因而c v 模型也滿足對稱性 因此 i v c v 方程一致統(tǒng)一 而r f 函數(shù)可靠性強f 2 6 1 b s i m 5 核心模型可以簡單地擴展到其它非傳統(tǒng)的新型的器件 例如 s o i 和雙柵m o s f e t 乃至超薄s o i 超薄體區(qū) u t b 器件 多柵 m g 器件 f i n f e t 等 基于表面勢西 的經(jīng)典模型有p a o s a h 模型 h i s i m 模型和p s p 模型 p a o s a h 模型是最早的基于m 的模型 它幾乎與m o s 晶體管同時出現(xiàn) 用一個二重積分 方程表示 l 從警q 7 屹e 篙丟考考d d 圪 q 渤 v s b 為源極電壓 v b v d s 為漏極電壓 該方程只能用數(shù)值的方法求解 p a o s a h 模型考 慮了漂移電流和擴散電流 對包括亞閾值和飽和區(qū)在內(nèi)的所有工作區(qū)都有效 但是該模型計 算時間較長 不適合于電路模擬 例如s p i c e 不過人們也提出了多種不同p a o s a h 的簡化模 8 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 型 2 7 l 口引 如薄層電荷模型 c h 盯g e s h e e tm o d e l h i s i m h 壁g o s h i m au n i v e r s i t ys t a r ci g f e tm o d e l 1 2 9 1 模型是日本廣島大學(xué)提出的表面電勢模 型 模型認為 器件的特性是由源極電勢m s o 漏極電勢m o v d s 和夾斷點電勢o s l 來決定的 通過迭代計算的方法求解p o s s i o n 方程 得出這三個電勢 繼而可得出器件的i v 和c v 特 性曲線 3 0 1 h i s i m 模型采用迭代法計算以減少不必要的積分計算 計算效率與b s l m 3 v 3 相當(dāng) 至此 人們改變了對表面勢模型計算效率低的看法 該模型靈活性強 可以很方便的擴展到 s 0 1m o s f e t 和l d m o s 器件上 由于它對于高壓器件有著非常高的描述精度 被c m c 選 為第一個針對高壓器件的標(biāo)準c o m p a c tm o d e l p s p 模型是一個新的基于表面勢的m o s f e t 模型 由飛利浦研究中心和賓夕法尼亞州立 大學(xué)g i l d e n b l a t 等多位教授聯(lián)合開發(fā) 3 p s p 集成了s pm o d e l 和n x pm o sm o d e l1 l 模型的 優(yōu)點 在2 0 0 5 年1 2 月c m c 召開的會議中 c m c 會員已經(jīng)通過投票表決選擇p s p 模型作為 新一代m o s f e t 模型的標(biāo)準 2 2m o s f e t 模型的發(fā)展趨勢 隨著c m o s 工藝的發(fā)展 器件尺寸不斷縮小 芯片的集成度也不斷的提高 如圖2 1 所 示 形象的描述了從2 0 世紀8 0 年代到2 0 2 0 年半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用 而隨之產(chǎn)生影 響也越來越多 如小尺寸效應(yīng) 短溝效應(yīng) 窄溝效應(yīng) 漏至勢壘降低效應(yīng) d i b l d r a i ni n d u c e d b a r r i e rl o w e r i n g 等 亞微米 納米級下的量子效應(yīng) 以及應(yīng)用廣泛的高頻器件的各種寄生效 應(yīng) 耦合作用等 模型的研究就是要在考慮各種復(fù)雜的物理效應(yīng)的基礎(chǔ)上 使模型更加的精 確 高速 穩(wěn)定 下面主要是對m o s f e t 模型發(fā)展趨勢幾個方面的闡述 c o n t i n u o u ss c a l i n go fs m a l l e s td i m e n s i o n s 壘 f u l 厶 2 9 竺 罌 一 蘆 鞋 圖2 1 器件特征尺寸和芯片集成度的發(fā)展歷程 首先 c m o st 藝通過增加新的工藝模塊 使用新的材料以及新的器件概念 即新的結(jié) 構(gòu) 來提高器件性能 從而設(shè)計出功能多樣 性能更好 更加穩(wěn)定的電路 如圖2 2 給出了 為了縮小器件尺寸所運用的先進工藝 如s t r a i n u s j u l t r a s h a l l o wj u n c t i o n s 等 新的結(jié) 構(gòu)有f i n f e t 是三柵結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)這些新的工藝 建立的模型自然也要做相對應(yīng)的修改 函 哳 岬 喜 枷 詈漸帥 尋 吐 杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 充分考慮這些新的工藝所產(chǎn)生的新的物理效應(yīng) 一般來說 m o s f e t 模型在準確性上的要求 不斷提高 但同時準確度和效率兩個方面仍然存在著矛盾 一種方法是在原有模型的基礎(chǔ)上 通過不斷添加新的參數(shù)來擴展模型 從而準確模擬器件的特性 在m o s f e t 模型從第一代模 型到第三代模型的發(fā)展過程中 m o s f e t 模型的改進在很大程度上歸功于不斷增加的模型參 數(shù) 但是從實際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) 這種在提供更為準確模型的同時 也使得模型參數(shù)急劇增加 模型復(fù)雜度也隨之增加 模型仿真效率降低了 另外一種兼顧了模型準確度和仿真效率的方 法就是通過從根本上改變模型依據(jù)基礎(chǔ) 從物理基礎(chǔ)出發(fā) 做到用更少的參數(shù)來準確描述器 件的特性 這樣一來 可以明顯降低所需要的參數(shù) 提高計算效率 但是這種方法的難點在 于要明確具體的物理作用機制 n e w p r o c e s sm o d u l e s n e wm a t e r i a l s n e wd e v i c ec o n c e p t s h i g h k m e t a g a t e f r o n te n d i i r n e 幽2 2 器件特征j 弋寸s c a l i n g 及對應(yīng)的先進j 藝 其次 根據(jù)文獻 3 z j 總結(jié) m o s f e t 發(fā)展趨勢的幾個方面 如從閾值電壓模型向表面勢模 型過渡 從目前依賴于測試數(shù)據(jù)進行參數(shù)提取向利用器件仿真數(shù)據(jù)進行參數(shù)提取過渡 從目 前m o s f e t 的子電路模型向