标准迁移率模型在纳米FD-SOI mosfet TCAD模拟中的使用和限制

摘要

在过去的几十年里，TCAD工具得到了很大的改进，以支持工艺和设备的互补模拟，这些模拟通常基于技术进步后不断开发的模型。在本文中，我们比较了两种纳米尺度器件:超薄体(UTB)和纳米尺度体(NSB) SOI-MOSFET器件的实验和TCAD模拟结果W / L沟道厚度比为10:1(分别为46 nm和4.6 nm)。实验转移电流-电压人们发现，这些特征惊人地不同，相差好几个数量级。我们通过考虑严重的迁移率退化和较大的栅电压相关串联电阻(）.TCAD工具通常不考虑与通道厚度或栅极电压有关。在观察到从我们的测量中提取的迁移率值与可用的TCAD模型建模的迁移率值之间的明显差异后，我们提出了一种新的半经验方法来模拟迁移特性。

1.介绍

基于纳米级绝缘体上硅(SOI)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的器件是允许超快数据处理的最新系统的组成部分。这与开发新一代基于电子和信号处理结合的超快计算机的努力是一致的[1]以及用于通信系统的先进一代纳米级器件[2另一方面。此外，UTB SOI-MOSFET体系结构对泄漏电流和短通道效应的良好控制，使其成为最终纳米尺度的候选器件。因此，近年来对半导体薄膜输运特性的研究备受关注。

从这个角度来看，使用TCAD工具来预测和优化这些先进的半导体器件最近有所增加[3.，4］．由于纳米技术的过程和器件发展非常迅速，在现有的TCAD模型中可能会出现一些差距。事实上，TCAD工具使用了经典的参数模型，其中一些模型对于纳米级设备来说已经过时了。例如，量子效应和/或界面效应主要控制现代器件的传导(例如，弹道输运效应或通过减少通道厚度而降低迁移率)[5］．此外，串联电阻效应对此类器件非常重要，也是深入研究活动的范围[6- - - - - -8]，以及近几十年来y函数法的使用[9- - - - - -12]提取此参数[13］．在本文中，我们展示了在以前的工作中建立的基于栅电压相关串联电阻的半经验模型[8]可以集成在TCAD模拟器中，以匹配FD-SOI mosfet的非常规电传输特性。

2.TCAD过程模拟

根据之前发布的用于制造器件的工艺条件，使用商业3D TCAD工艺模拟器(Csuprem from croslight)模拟了层沉积过程[8］．在数据1(一)和1 (b)我们给出了超薄体(UTB)器件的模拟三维结构，该器件具有46nm厚的体和沟道10的比率(80μ米/ 8μM)并用作参考设备。在数据2(一个)和2 (b)，我们展示了模拟的三维结构的十倍减少4.6 nm厚通道，由门槽工艺获得，即纳米尺度体(NSB)器件，共享相同和值。如图所示1(一)和2(一个)，在垂直轴上，有源区域(源极、栅极和漏极端子)由铝触点(10层)端接，在水平轴上受场氧化物(07层)边界限制。埋入的氧化物(层02)作为块硅(层01)和栅槽硅通道(层03)之间的屏障。

数字2 (b)为硅层从46 nm减薄到4.6 nm时栅槽通道的放大图。这指出了凹进工艺的优点，在凹进工艺中，只有硅通道变薄，而源极和漏极区域及其各自的延伸仍保留在其原始(体)厚度内。因此，不应影响漏极和源极的串联电阻先天的由于变薄的过程[14］．

除了数字1和2，提出了一个模拟的TCAD横向视图的设备层，并在汇总表中给出了工艺参数的补充列表，其中大部分是在模拟器中使用的1．NSB和UTB器件都在TCAD中建模，采用了几乎相同的物理制造工艺参数。然而，NSB工艺在退火步骤的时间安排上偏离了其实际的微结构。由于在NSB器件中通道掺杂和阈值电压的控制相当困难，只在离子注入后很短的时间(1-2分钟，1000℃)进行了一个单一的退火步骤来拟合测量的阈值电压。可以观察到，在模拟中，由于供体从漏极和源极两侧扩散，轻微的退火时间变化就足以将沟道区域转变为过度掺杂的硅。此外，由于所使用的模拟工具中没有多晶硅的干氧化，因此插入了一个沉积(外加46 nm退火)步骤。

3.电传输特性

3．1.测量和模拟

在UTB和NSB的设备上进行测量(室温和黑暗条件)，具有共同的通道宽度和长度(= 80μ米/ 8μM = 10)，但渠道厚度分别为46 nm和4.6 nm。对应的转移特性，即漏极电流()与门电压()从−2到+2 V，在线性域(恒定低V)，如图所示3.．此外，我们还使用默认的Canali或所谓的“beta”模型添加了相应的模拟特性(来自Crosslight的Apsys) [15的电子迁移率。

通过增加从−2 V到约−1 V，缓慢下降，表明一种类似于在经典和SOI-MOSFET器件中观察到的栅极诱导漏极泄漏(GIDL)的泄漏现象[16］．在模拟中忽略了这一现象。

为从−1 V到−0.5 V，观测到的增加陡度与阈下状态有关。我们注意到亚阈值斜率会因沟道厚度的减小而强烈降低，这可能是由于较差的界面质量和/或由栅凹过程引起的寄生栅电容造成的。在转移曲线，阈值电压()可以定义为亚阈值电流指数外推与实测电流偏离10%的栅极电压[17］．这可以通过图中所示的半对数图表示的线性行为的最高点来显示3.．我们首选的提取从弱反演区域，因为我们论证了强反演区域，从中值一般是提取出来的，已经被串联电阻淹没，用于NSB器件。

我们注意到测量NSB(−0.8 V)小于UTB(−0.4 V)。然而，对于UTB的器件厚度通常小于10纳米，V_T据报道，由于量子效应，预计通过细化通道来增加[18］．在我们的例子中降低可能与在减薄过程中可能发生的质量栅氧化层的退化有关。

3．2．场相关迁移率的提取:默认模型与测量

TCAD设备模拟器(来自Crosslight的Apsys)使用默认的字段依赖迁移模型，即所谓的“beta”模型[15]，电子载体的描述如下: 在哪里为低场电子迁移率，为电场，电子速度饱和，和是指数参数(默认值固定为1)。

(1)作为其默认值的初始猜测模型。然而，为了与实验结果有更好的一致性，我们在UTB器件上增加了0.728的迁移率降低因子。这个因素是合理的，因为在SOI薄膜中电子迁移率预计比在本体中要低。然后，在4.6 nm厚的NSB器件上进行了相同的电模拟，不考虑还原因子。仿真结果如图所示3.．

自固定为0.1 V，我们可以提取an先天的有效沟道电子迁移率使用以下测量漏极电流的线性表达式:

这个表达式也允许从电子迁移率中提取迁移率依赖性TCAD仿真。

数字4显示了电子迁移率相对于，如从(2)，并与UTB进行比较，以供参考。我们可以注意到，在NSB的模拟和测量中提取的迁移率值之间有很大的和意想不到的差异。为了得到一个匹配的NSB设备，一个突出的缩小因子0.042应该使用对比0.728因子使用的UTB。因此，不像UTB，默认的beta模型没有复制我们对NSB的实验结果。注意这个分割该技术通常用于流动性提取，在以前的研究中进行了检验[8］．但是，我们发现大串联电阻会恶化特性与我们的实验结果一致，因此信道移动性不能被这种技术识别的NSB设备。

4.NSB传输特性的TCAD仿真方法

4．1.TCAD标准仿真模型的局限性

作为第一种方法，利用TCAD工具箱中现有的移动模型模拟了器件的传输特性。

在图5，给出了模拟NSB器件与实验结果之间迁移率的拟合。使用相同的默认beta模型1)，并引入0.042的前因子，由NSB器件的模拟迁移率值与测量迁移率值的比值得到(见图)4)，当栅极电压低于−0.5 V (beta修饰的迁移率曲线)时，可能与4.6 nm器件的实验结果很好地吻合。在−0.5 V以上，则特征开始偏离实验数据，表明贝塔模型的差异。重要的是要注意，最好使用前因子而不是操纵模型参数和在(1）.

其他现有的迁移率降低模型，由于横向场(垂直于MOSFET通道)，已实现如下并绘制在图中5．(1）基于双鱼座- 2et手册的“Intel1”模型(斯坦福大学)[19]定义了一个降低渠道下流动性的因素: 在哪里磁场垂直于SiO吗₂/硅界面和在300 K (1500 cm²·V⁻¹·年代⁻¹）.和β临界域和指数因子分别在表2．(2）“Intel2”模型也是基于斯坦福大学(Stanford University)双鱼钩- 2et手册，根据所谓的“通用流动性曲线”，定义了另一种降低通道下流动性的因素，如下: （3)一个更精细的模型叫做Lombardi模型[20.]建议将不同机制对流动性的贡献整合如下: 在哪里是由于纵向场/热载流子效应的迁移率时间。其他项是由声子和表面粗糙度分别定义的 在哪里，,分别为晶格温度、速度当量因子和平均掺杂浓度(10¹⁷厘米⁻³）.在室温下，对于非常薄的沟道，表面粗糙度是主要的后向散射机制(见[1,第7章)。所以我们只修改了δ参数的Lombardi模型中的组件。

上述模型被修改以适应NSB的实验特性，直到得到非物理行为(即零跨电导，除了beta模型)。相应的参数如表所示2．

图中添加了使用上述所有模型(默认和修改)模拟的传输特性5讲设备。但是，除beta模型外，修正后的模型与测量值相比仍存在一个数量级以上的差异。但即使在修正的beta模型中，前因子也应该被一个小的因素所改变，导致此类器件的电子迁移率非常低(小于10厘米)²V⁻¹年代⁻¹）.这些结果使我们将串联电阻影响插入到NSB器件的传输模型中。

4．2．的应用与型号到NSB设备

为了描述串联电阻对NSB测量的传输特性的影响，我们使用栅电压和体厚度依赖的串联电阻模型，如[8]被认为是接入电阻．考虑 与MΩ,= 1.03 nm纳米V⁻¹．

进行了阻力提取= 4.6 nm，栅极电压介于−0.5和2之间V和如图所示6．

4．3．的影响的模拟传输特性

的采用无还原迁移系数0.042的田间依赖beta模型进行模拟。串联电阻可以作为外部集总元件包含在TCAD设备模拟器中，但固定值为．因此我们模拟在0.5 V到2 V的范围内，每一个提取的电阻值的特征(根据图6个不同的值)6）.影响电压的依赖可以通过上述模拟特性的后处理进行模拟，如图所示7．的确，这是理所当然的a对应的曲线给定的，例如，−0.5 V，则在此特定电压下采样电流值．然后对每一个重复这个过程曲线的值对应下一个一步的价值。重建的抽样的特征值显示为图中带有三角形符号的图形7．

在图8，我们从图中比较我们重建的特性7(现在叫)到测量值，并从β模型得到仅为0.042的还原迁移率系数的模拟值．而后者高于测量的特征值，重建的特征值似乎较低。电流迁移率降低和串联电阻效应在降低漏极电流方面相互竞争，但各自在一定范围内占优势值(分别为−0.5 V以下和−0.5 V以上)。因此，我们建议统一两个模拟特性来模拟最终电流由马蒂森的类流动性定律得出的方程如下:

发现的指数值为给出了与实验特性的最佳拟合，如图所示8．

5.结论

采用选择性凹槽栅薄化工艺制备了纳米级SOI-MOSFET器件，使通道厚度从46 nm降至4.6 nm。我们证明后者电特性的异常退化可以用门控串联电阻来模拟，而不仅仅是用迁移率模型。利用TCAD工具，采用串联电阻模型和因式迁移模型对器件的传输特性进行了模拟。根据模拟结果可以更好地理解，在低栅极电压下，电子迁移率的降低可能是主导因素，而在高栅极电压下，串联电阻则是主导因素。在各种测试的迁移率模型中，我们发现，当将修正的beta迁移率模型与栅电压依赖序列模型相结合时，得到了最佳的拟合结果。我们认为，这种半经验建模方法可能是有用的，作为TCAD嵌入工具，以建模其他纳米器件的行为，串联电阻和/或迁移率下降是一个很大的关注。

利益冲突

作者与本文没有利益冲突。

参考文献

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