部分耗盡SOI器件新體接觸技術(shù)可有效克服MOSFET中的浮體效應(yīng)

引言

SOI技術(shù)帶來器件和電路性能提高的同時也不可避免地帶來了不利的影響，其中最大的問題在于部分耗盡SOI器件的浮體效應(yīng)。當(dāng)器件頂層Si膜的厚度大于最大耗盡層的寬度時，由于結(jié)構(gòu)中氧化埋層的隔離作用，器件開啟后一部分沒有被耗盡的si膜將處于電學(xué)浮空的狀態(tài)，這種浮體結(jié)構(gòu)會給器件特性帶來顯著的影響，稱之為浮體效應(yīng)。浮體效應(yīng)會產(chǎn)生kink效應(yīng)、漏擊穿電壓降低、反常亞閾值斜率等浮體效應(yīng)。

由于浮體效應(yīng)對器件性能帶來不利的影響，如何抑制浮體效應(yīng)的研究，一直是SOI器件研究的熱點。針對浮體效應(yīng)的解決措施分為兩類，一類是采用體接觸方式使積累的空穴得到釋放，一類是從工藝的角度出發(fā)采取源漏工程或襯底工程減輕浮體效應(yīng)。所謂體接觸，就是使埋氧層上方、Si膜底部處于電學(xué)浮空狀態(tài)的中性區(qū)域和外部相接觸，導(dǎo)致空穴不可能在該區(qū)域積累，因此這種結(jié)構(gòu)可以成功地克服MOSFET中的浮體效應(yīng)。

人們采取了很多措施來抑制浮體效應(yīng)，比較常用的如圖1所示，有T型柵、H型柵和BTS結(jié)構(gòu)。但T型柵、H型柵技術(shù)由于p型Si區(qū)體電阻的存在而不能有效抑制浮體效應(yīng)，而且溝道越寬體電阻越大，浮體效應(yīng)越顯著。BTS結(jié)構(gòu)直接在源區(qū)形成p+區(qū)，其缺點是源漏不對稱，使得源漏無法互換，有效溝道寬度減小。而且，源端的接觸引進(jìn)了較大的寄生電容，使得器件性能變差。

1、新結(jié)構(gòu)的提出

如圖2所示，本文提出了一種新的體接觸技術(shù)，該方法利用局部SIMOX技術(shù)，在晶體管的源、漏下方形成離Si表面較近的薄氧化層，采用源漏的淺結(jié)擴散，形成側(cè)向體引出結(jié)構(gòu)。未在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大了Si膜厚度來減小體引出電阻，與以往方法相比，該方法具有較小的體-源、體-漏寄生電容，完全消除了背柵效應(yīng)、體引出電阻隨器件寬度增大而減小，體電阻可以隨Si膜厚度的加大而減小，且不以增大寄生電容為代價等優(yōu)點。因而，該器件能更有效地抑制浮體效應(yīng)。而且，為形成局部埋氧層，該方法僅僅在工藝上增加了一塊掩模版，其他的工藝流程跟標(biāo)準(zhǔn)的SOI CMOS工藝一致，因此該方法具有很好的工藝兼容性。

該結(jié)構(gòu)可以利用低能量、低劑量局部SIMOX技術(shù)實現(xiàn)，為了在器件的溝道下方不形成BOX層，在氧離子注入時，利用Si02掩膜進(jìn)行覆蓋，掩膜采用RIE（reactive ion etching），根據(jù)形成的局部埋氧層的深度和厚度確定注入的能量和計量，注入完成后，在Ar+0．5％O2的氣氛中進(jìn)行高溫退火數(shù)小時形成局部埋氧層。Y．M．Dong和P．He等人的實驗結(jié)果驗證了局部SIMOX技術(shù)在工藝上的可實現(xiàn)性，利用透射電子顯微鏡對樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，其源、漏下方的BOX層非常完整，BOX層的端口與多晶Si柵相對齊，間距略微大于柵的長度。整個單晶Si的表面非常平整，源漏區(qū)沒有因為形成BOX層而抬高，也沒有在退火過程中受到氧化而降低。表l為新型結(jié)構(gòu)器件的主要工藝參數(shù)，其中：Tox為柵氧厚度；TSi為Si膜厚度；Tbox為埋氧層厚度；Tsdbox為源漏下埋氧層厚度；Nch為溝道摻雜濃度；Nsub為襯底摻雜濃度；Ldrawn為溝道長度；Wdrawn為溝道寬度；Xj為源漏結(jié)深。

2、模擬結(jié)果與討論

采用ISE—TCAD模擬器對器件進(jìn)行模擬并討論模擬結(jié)果。體接觸可在一定程度上抑制浮體效應(yīng)。體接觸的效果還與接觸位置、器件的尺寸和工藝有關(guān)。如果體接觸效果不好，漏結(jié)碰撞電離產(chǎn)生的空穴仍然會在體區(qū)積累，使得體區(qū)空穴濃度增大，體區(qū)電位升高，閾值電壓降低，因而漏電流增大。圖3為浮體器件、T型柵體接觸結(jié)構(gòu)和本文提出的新型體接觸結(jié)構(gòu)的輸出特性、切線處空穴濃度和器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，三種結(jié)構(gòu)工藝條件相同。由圖3可見，本文提出的結(jié)構(gòu)體區(qū)空穴濃度最低、閾值電壓最高、沒有kink效應(yīng)發(fā)生，成功的抑制了浮體效應(yīng)的產(chǎn)生。

圖4是T型柵接觸和新型體接觸結(jié)構(gòu)的輸出特性隨器件寬度變化情況對比。從圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)T型柵在器件寬度較大時，漏電流特性變化更加劇烈，kink效應(yīng)明顯，而新結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)kink效應(yīng)。這是因為隨著器件寬度的增加，H型柵體引出電阻增大，kink效應(yīng)的觸發(fā)電壓逐漸降低。而新結(jié)構(gòu)采用的側(cè)向體引出結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的體電阻隨器件寬度增加而減小。因而，在器件寬度較大時，該結(jié)構(gòu)抑制浮體效應(yīng)的效果明顯。

由此可見，器件的體引出電阻的大小對浮體效應(yīng)的影響是至關(guān)重要的，為了有效抑制浮體效應(yīng)，較小的器件體電阻是很必要的。C．F．Edwards等人報道了體接觸電阻的一級近似計算公式

式中：Weff為有效溝道寬度；Leff為有效溝道長度；NA為溝道摻雜濃度；up為載流子遷移率；TSi為Si膜厚度；ε0和εSi分別為真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)。由式（1）可知，體電阻Rb跟Si膜厚TSi成反比，加大Si膜厚度可以降低體電阻。但是，通常SOI器件的源端和漏端都是擴散到埋氧層的，增大Si膜厚度會使器件源端和漏端與體區(qū)的接觸面積增大，致使體寄生電容增大，從而影響器件性能，寄生電容的增大也會延長體放電的時間，不利于抑制浮體效應(yīng)，而且，較大的源漏結(jié)深可能引起穿通效應(yīng)。

本文提出的體接觸結(jié)構(gòu)可以解決這一矛盾。該結(jié)構(gòu)在源漏下面用低能量、低劑量注氧退火生成的局部氧化層，采用源漏淺結(jié)擴散，源漏區(qū)面積小，體區(qū)寄生電容比較小，而且寄生電容不會隨著Si膜厚度的增加而增加。圖5是膜厚度對體區(qū)空穴引出速度RbCb的影響。從圖中可以看到，隨著器件厚度的增加H型柵的RbCb延時趨于飽和，而新結(jié)構(gòu)的延時隨著Si膜厚度的增加而減小。這和剛才分析的結(jié)果相符合。說明隨著器件寬度增加，H型柵結(jié)構(gòu)的體電阻Rb減小，但與此同時，體電容Cb增大，在而且Cb增加的幅度和風(fēng)減小的幅度一致，從而使得RbCb趨于飽和。而對于新體接觸結(jié)構(gòu)而言，電阻Rb隨Si膜厚度增加而減小的同時，體電容Cb并不改變，因此，RbCb隨Si膜加大而逐漸減小。以上的討論結(jié)果說明，該結(jié)構(gòu)可以在不增加寄生電容為代價的情況下，通過適當(dāng)?shù)脑黾覵i膜厚度的方法來減小體引出電阻，從而更好地抑制浮體效應(yīng)。需要注意的是，如果這種器件Si膜比較薄，由于采用側(cè)向體引出結(jié)構(gòu)，結(jié)深和局部埋氧層所占的空間導(dǎo)致體引出通道較窄，導(dǎo)致體電阻變大，這是不希望看到的，因此實際應(yīng)用時，新結(jié)構(gòu)器件的Si膜厚度必需足夠大，實驗數(shù)據(jù)表明，250 nm Si膜厚度的新結(jié)構(gòu)器件和200 nm Si膜厚度的常規(guī)器件的體電阻大小相當(dāng)，這說明在其他工藝參數(shù)相同的情況下，新結(jié)構(gòu)器件的Si膜厚度要大于250 nm的情況下，其優(yōu)勢才會明顯。另外，在Si膜較厚的情況下可以考慮用逆向摻雜技術(shù)使體區(qū)雜質(zhì)濃度加大，進(jìn)一步減小體電阻。這就要考慮工藝對浮體效應(yīng)的影響，超出本文的討論范圍。關(guān)于工藝對浮體效應(yīng)的影響將在以后做進(jìn)一步研究。

3、 結(jié)論

本文提出了一種體接觸結(jié)構(gòu)，與其他體接觸技術(shù)相比，該方法的體引出電阻小，寄生電容小，體引出效果不受器件寬度的影響。并且可以在不增加寄生電容為代價的情況下，通過適當(dāng)?shù)脑黾覵i膜厚度的方法減小體引出電阻，從而更好地抑制浮體效應(yīng)。另外，由于源和漏的淺結(jié)擴散，沒有達(dá)到SOI的BOX層，不會形成背柵開啟的溝道，因此，該結(jié)構(gòu)不存在背柵效應(yīng)。

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