P型溝道靜電感應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

P型溝道靜電感應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1p型溝道靜電感應(yīng)器件的簡(jiǎn)介p型溝道靜電感應(yīng)晶體管，顧名思義，就是導(dǎo)電溝道是p型溝道的靜電感應(yīng)晶體管，與n型溝道靜電感應(yīng)晶體管是相對(duì)的。p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)根據(jù)n型溝道靜電感應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，畫出p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的二維簡(jiǎn)單模型圖如圖3.1所示。該模型是一個(gè)簡(jiǎn)單的表面柵型結(jié)構(gòu)，和n型結(jié)構(gòu)對(duì)比,圖3.1表而柵型p型溝道結(jié)構(gòu)靜電感應(yīng)晶體管模型P型結(jié)構(gòu)柵區(qū)是重?fù)诫s的n型材料，源區(qū)和漏區(qū)是重?fù)诫s的p型材料，溝道區(qū)是輕摻雜的P型材料。和n型溝道靜電感應(yīng)晶體管一樣，p型溝道靜電感應(yīng)晶體管在零偏壓下，溝道區(qū)也是耗盡的。p型溝道靜電感應(yīng)晶體管正常工作時(shí)，柵極接正偏壓，源極接地，漏極接負(fù)偏壓。p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的工作原理畫出P型溝道SIT溝道電力線的簡(jiǎn)圖如圖3.2所示。對(duì)比n型溝道靜電感

圖3.2p型溝道SIT溝道電力線簡(jiǎn)圖應(yīng)晶體管，P型溝道靜電感應(yīng)晶體管溝道內(nèi)電力線的方向發(fā)生了變化。山于柵區(qū)正電荷相互排斥的作用，在靠近源區(qū)的溝道內(nèi)也產(chǎn)生了勢(shì)壘區(qū)。畫出溝道內(nèi)電場(chǎng)的一維曲線如圖3.3所示：電場(chǎng)是電勢(shì)的負(fù)梯度E=」％,結(jié)合圖3.3可以畫出p型溝道靜電感應(yīng)晶體溝道內(nèi)電勢(shì)能Q=§①，示意圖和電勢(shì)①示意圖差不多。所以p型溝道靜電感應(yīng)晶體管溝道內(nèi)也存在勢(shì)壘。從源區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入溝道的空穴越過勢(shì)壘后漂移到漏區(qū)，便形成了電流。柵極電壓嶺增大，溝道勢(shì)壘升高，越過勢(shì)壘的載流子數(shù)LI減少，因此漏電流減??；漏極電壓|%|增大，溝道勢(shì)壘降低，越過勢(shì)壘的載流子數(shù)LI增加，漏極電流增大。p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的I-V特性曲線III2.4小節(jié)可知，靜電感應(yīng)晶體管在小電流時(shí)，溝道滿足耗盡層近似，理論分析得到漏極電流隨漏極電壓的增大呈指數(shù)增大關(guān)系；中、大電流時(shí)呈線性增大關(guān)系。雖然這一理論是以n型溝道靜電感應(yīng)晶體管為模型建立的，但依然適用于P型溝道靜電感應(yīng)晶體管。P型溝道靜電感應(yīng)晶體管正常工作時(shí)，柵極接正壓，漏極接負(fù)壓，源極接地,所以其I-V特性曲線位于坐標(biāo)系的笫三象限。根據(jù)這一結(jié)論畫出p型溝道靜電感應(yīng)晶體管理想的I-V特性曲線示意圖如圖3.5所示：圖3.5p型溝適靜電感應(yīng)晶體管I-V特性曲線示意圖對(duì)比n型和p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的I-V特性曲線示意圖，發(fā)現(xiàn)它們關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)滿足中心對(duì)稱關(guān)系。3.2p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的基本制造參數(shù)對(duì)于一個(gè)電力器件,它的電學(xué)特性Ep與器件的材料參數(shù)Mp、結(jié)構(gòu)參數(shù)》和工藝參數(shù)7；密不可分，當(dāng)然也有一些器件生產(chǎn)過程中難以避免的工藝誤差Te,但電學(xué)特性主要還是曲Mp、Sp、7；三個(gè)參數(shù)確定。將它們之間的關(guān)系可表示成函數(shù)關(guān)系式：Ep=F（Mp、Sp，Tp…） （3-1）各制造參數(shù)A/,,、Sp、7；之間的匹配關(guān)系不同，函數(shù)形式F也就不同，對(duì)應(yīng)的電學(xué)特性自然也就不同。對(duì)靜電感應(yīng)器件而言，想要器件表現(xiàn)出理想的「V特性，就得找到各制造參數(shù)之間最佳的匹配關(guān)系⑧。器件參數(shù)的選取離不開SilvacoTCDA模擬工具的輔助。SilvacoTCDA是基

于一系列物理模型和方程而建立的一個(gè)軟件模擬環(huán)境，用來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)體器件模擬和工藝模擬。在本實(shí)驗(yàn)中，可以通過該軟件模擬環(huán)境觀察器件的電學(xué)特性隨各制作參數(shù)變化的基本規(guī)律，根據(jù)這些變化規(guī)律來(lái)確定器件的制造參數(shù)，以便更有效地進(jìn)行器件的設(shè)計(jì)和制作。3.2.1材料參數(shù)半導(dǎo)體器件的制作均是在硅片襯底上進(jìn)行的，對(duì)于硅片的選擇主要包括以下兒項(xiàng)參數(shù)：晶向，摻雜濃度，電阻率，直徑，壽命等。晶體主要有（111）、（110）、（100）三個(gè)晶向，其中（111）晶向?qū)?yīng)的晶面原子密度大，雙層原子面間共價(jià)鍵密度較小，因此外延生長(zhǎng)速度慢，表面原子位錯(cuò)較多，但成本低；（100）晶向?qū)?yīng)的晶面原子密度小，但雙層原子面間共價(jià)鍵密度大，鍵和能力強(qiáng)，外延生長(zhǎng)速度快，表面質(zhì)量較好；（110）晶向的晶面正好介于中間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用（111）晶向制作的器件其I-V特性與（100）晶向的兒乎完全重合，如圖3.6所示，說明SIT對(duì)于表面態(tài)的敬感程度低。為降低成本,采用（111）晶向的硅材料。1.0x10'6--100 -so ?eo -40 ?-100 -so ?eo -40 ?20Vc（V）o-1.0x10'6-2.0x10*6-3.0x10S-?4.0x1O*S-5.0x10S--6.0x10*6-7.0x1O*6-8.0x10S-圖3.6不同晶向下P型溝道SIT的/—V特性曲線襯底材料起著芯片支撐和形成漏極歐姆接觸的作用，可用來(lái)形成漏極。低摻雜的襯底有利于提高柵漏擊穿電壓，但大電流下會(huì)造成襯底載流子分布不均勻，使正向?qū)娮柙龃蟆Ａ硗?，襯底摻朵過低不利于歐姆接觸的形成。高摻雜雖然可以形成有效的歐姆接觸，增大電流容量，但會(huì)降低器件的耐壓特性。為保證器件的高耐壓特性，降低通態(tài)壓降，襯底厚度叫取少子擴(kuò)散長(zhǎng)度厶的2.5?3.0倍之間，即：％=（2.5~3.0）厶。

由于厶=厲^,而少子壽命％乂與襯底的摻雜濃度有關(guān)系，所以少子擴(kuò)散長(zhǎng)度厶與襯底的摻雜濃度有關(guān)，更進(jìn)一步，也就是說襯底的厚度叫與襯底的摻雜濃度“人有關(guān)。在本次試驗(yàn)中選襯底材料為摻B濃度1x10叫”尸，對(duì)應(yīng)的少子壽命為r?=20“s,Ln=80//Wo襯底厚度W”在200“加~300“加之間。在襯底材料上通過外延生長(zhǎng)形成溝道。通過Silvaco模擬發(fā)現(xiàn)溝道摻雜濃度不同，器件的特性也不相同，如圖3.7所示?？偟膩?lái)說在1x10%〃尸左右時(shí),50X1070.0-50x10^-1Ox10'S-1SxE20x1O'5?26X10"5?30x10^3300專-40x1O'5-45x10'?-50x10^.56X10"5COxE65x10^-70x10^-76x10^-85X10^(a)溝道濃度耳=1x10%〃尸時(shí)呈類三極管特性(a)溝道濃度汕=2x10%〃尸時(shí)呈混合特性圖3.7不同溝道濃度下的/-V特性

器件呈現(xiàn)出類三極管特性。對(duì)比圖⑺)和0),發(fā)現(xiàn)溝道濃度越低，漏極電流越小。

但濃度鍋高時(shí)，會(huì)使器件的柵控能力減弱，導(dǎo)致溝道夾斷程度小，器件呈現(xiàn)電阻

特性。本次實(shí)驗(yàn)取溝道摻雜濃度耳=1x10%加。綜合考慮，最終選襯底為摻雜濃度為1x10叫”尸，厚度300“〃?，晶向（111）p型單晶硅硅片，外延層摻雜濃度為lxlO,3c,W-3。2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是制作器件乂一個(gè)重要的步驟。對(duì)于靜電感應(yīng)晶體管，非本征區(qū)溝道是最為復(fù)朵的地方，結(jié)構(gòu)參數(shù)的劃分也最為精細(xì)。畫出p型溝道SIT柵體與溝道的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖3.8所示：SiO2 ? d —"U[X「p+nVdcp—n+1Jlc圖3?8P型溝道SIT柵體與溝道的參數(shù)示意圖圖中標(biāo)出的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是：溝道長(zhǎng)度厶，溝道厚度d「柵體厚度.，柵體長(zhǎng)度小,柵孔間距d和源區(qū)厚度％”等，還有沒標(biāo)記岀的溝道寬度叭，漏區(qū)長(zhǎng)度口，本征溝道區(qū)長(zhǎng)度人等。1?溝道厚度心如圖3?8所示，夠到號(hào)度也就是兩個(gè)柵區(qū)間的實(shí)際距離。記。為溝道的半厚度，為柵溝的/〃廣結(jié)在零偏壓下的耗盡層寬度。近似認(rèn)為柵溝廣結(jié)是單邊突變結(jié)，則耗盡區(qū)寬度為:(3-2)式中，￡是硅的介電常數(shù)，滿足￡=￡聲…^=8.86xl0-14F/cm9是真空介電常數(shù)，6是硅的相對(duì)介電常數(shù)，為11.8,嶺是柵溝刃廣結(jié)的自建電勢(shì)，滿足：Vo=7lnNNVo=7lnNN(3-3)其中，N人是溝道區(qū)的摻雜濃度，是柵體的摻雜濃度。定義夾斷因子0為溝道厚度心與零柵壓下耗盡區(qū)寬度你的比值，B|J：Rdc2aP-——=—— (3-4)00CIq表征零柵壓下溝道的夾斷程度。它將溝道盡度與零柵壓的耗盡層寬度聯(lián)系在一起，進(jìn)一步與柵溝的摻雜濃度聯(lián)系在一起，必然影響著器件的電學(xué)特性⑸。利用Silvaco軟件對(duì)不同0取值的P型溝道SIT進(jìn)行/-V曲線模擬，發(fā)現(xiàn)P型SIT當(dāng)0>0.65時(shí)，器件的/-V曲線便表現(xiàn)出電阻特性；當(dāng)0uO.45H寸，器件(c)P=0.6圖3.9夾斷因子取不同值時(shí)p型溝道SIT的I-V特性曲線類三極管特性，但器件的漏極電流較小，死去較大。在本次試驗(yàn)中取夾斷因子0在0.3?0.5之間。如圖3.9所示，器件夾斷因子不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的I-V特性曲線。2?溝道長(zhǎng)度

溝道長(zhǎng)度對(duì)器件/-V特性的影響也比較大。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)器件溝道厚度一定時(shí)，溝道越長(zhǎng)，器件的類三極管特性越差，飽和特性越明顯。定義溝道長(zhǎng)厚比?40x10—■6.0x10?80x10'--10x106?100-80?60?40x10—■6.0x10?80x10'--10x106?100-80?60?01.5?20VD(V)o(a)g=l?5時(shí)p型溝道SIT的/-V特性曲線(b)夕=(b)夕=30時(shí)p型溝道SIT的/一V特性曲線圖3.10不同溝道長(zhǎng)厚比時(shí)，p型溝道SIT的/-V特性曲線§=/「/〃,，表征器件在耗盡狀態(tài)下，漏極電壓對(duì)源區(qū)的控制能力。g越小，溝道長(zhǎng)度/j也就越小，則漏極電壓的控制能力強(qiáng)⑸。用Silvaco模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)gal.5時(shí),SIT表現(xiàn)出很好的類三極管特性；當(dāng)夕＞20時(shí)，SIT就會(huì)表現(xiàn)出類電阻特性。如圖3.10所示。3.柵體厚度.柵體厚度和器件的開關(guān)特性有著密不可分的聯(lián)系。柵體越厚，柵源電容q,越大，不利于器件的開通和關(guān)斷。為了減小柵源電容，提高器件的開關(guān)特性，就得減小柵體的厚度。但是柵體厚度過小，就提高對(duì)溝道厚度/和柵體摻雜濃度N&的要求用。權(quán)衡考慮，本次實(shí)驗(yàn)取定柵體厚度.為0.7“〃?。溝道寬度叫對(duì)于溝道寬度，SIT沒有具體的要求。溝道寬度大，溝道的電流容量也就大,但是溝道寬度過大，會(huì)不利于柵體對(duì)溝道電流的控制，導(dǎo)致柵控遲鈍，影響器件的特性。實(shí)驗(yàn)表明100〃加~2000〃加的溝道寬度均可以用來(lái)制作SIT：53o漂移區(qū)長(zhǎng)度對(duì)P溝道型SIT,源區(qū)的空穴擴(kuò)散越過勢(shì)壘后，通過漂移區(qū)抵達(dá)漏區(qū)形成漏電流。在相同的漏極偏壓下，改變漂移區(qū)的長(zhǎng)度（柵漏間距人會(huì)發(fā)現(xiàn)p型溝道SIT呈現(xiàn)出不同的I-V特性。如圖3.11所示。觀察圖，可以發(fā)現(xiàn)在相同的漏電壓下，漂移區(qū)越長(zhǎng)，漏極電流越小。這是因?yàn)槠茀^(qū)越長(zhǎng)，空穴通過漂移區(qū)的渡越時(shí)間r就越長(zhǎng)，根據(jù)：ID=— （3-5）T可知，空穴的渡越時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致漏極電流變小。綜合考慮，本次實(shí)驗(yàn)取漂移區(qū)

3.3p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的器件參數(shù)及特性3.3.1p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的器件參數(shù)根據(jù)3.2章節(jié)中的理論分析和軟件模擬，確定出器件的參數(shù)如表3.2所示。表3.2p型溝道靜電感應(yīng)晶體管的器件參數(shù)器件參數(shù)數(shù)值溝道厚度djpm3.2溝道長(zhǎng)度1」屮TI2柵區(qū)窗口寬度tjpm1.4源區(qū)窗口寬度ts/pm1.5柵區(qū)結(jié)深心/〃加2.63源區(qū)結(jié)深xjs/^m0.64柵漏間距1小n19.63溝道寬度w」pm200襯底厚度wjpm300襯底摻雜濃度Nac/cin~'1x10'*溝道摻雜濃度NAW/cnr3lx10門柵區(qū)摻雜濃度Nl）c/cnr31.12X1O20源區(qū)摻雜濃度Nas/cm'58.9xlO193.3.2p型夠道靜電感應(yīng)晶體管的器件特性1?器件結(jié)構(gòu)和/-V特性曲線根據(jù)表3.2給岀的參數(shù)，利用SilvacoTCDA模擬軟件，編寫程序，經(jīng)過多次修改，最終模擬出p型溝道SIT的器件結(jié)構(gòu)和I-V特性如圖3.12所示。圖（a）器件的結(jié)構(gòu)是典型的表面柵型結(jié)構(gòu)。觀察圖發(fā)現(xiàn)，柵區(qū)浮在器件的表面上，漏區(qū)位于器件的低端；柵源區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于器件的溝道濃度，漏區(qū)正好介于它們兩者之間。

(a) p型溝道SIT的器件結(jié)構(gòu)圖3.12p型溝道SIT的器件結(jié)構(gòu)和I-V特性曲線圖(b)即為圖(R中p型夠道SIT對(duì)應(yīng)的/-V特性曲線，是個(gè)類三極管特性曲線。在小電流時(shí)，圖中的/-V特性呈現(xiàn)出指數(shù)型關(guān)系，中大電流時(shí)，呈現(xiàn)線性關(guān)系，符合2.4小節(jié)理論分析所得出的結(jié)論，表明該器件參數(shù)下所得出的/-V特性曲線是完全正確的，由此也證明了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。鑒于p型溝道SIT的設(shè)計(jì)目的是為了與n型溝道SIT形成互補(bǔ)型SITo這里將p型溝道SIT的/-V特性與n型溝道SIT的/-V特性畫在同一個(gè)坐標(biāo)系下，如圖3.13所示。n型溝道SIT與p型溝道SIT形成互補(bǔ)型SIT的鑒定標(biāo)準(zhǔn)就是

需要它們的I-V特性曲線最大化匹配，也就是關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)中心對(duì)稱。圖3.13中p型溝道SIT在相同的柵漏電壓（絕對(duì)值）下，漏極電流匕比n型溝道SIT小，沒有達(dá)到最大化匹配。這將是我以后在研究生階段需要做的工作，對(duì)該p型0.000025-0.000020-■0.000015-■0.000010-0.000005?■0.000000?-0.000005-■-0.000010-I? I ?I 'I ?I I 1I ■I 1I ?I I? I ?I 'I ?I I 1I ■I 1I ?I I-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100溝道SIT的器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到與n型溝道SIT/-V特性曲線相匹配的p型溝道