金属/Ge接触及Ge SB-MOSFET电特性模拟与NiGe/Ge接触实验研究

作     者：邓煜恒 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐静平

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：肖特基势垒(SB) 场效应晶体管 金-半接触 Silvaco TCAD软件 Ni Ge合金 绝缘层上锗(GeOI) 

摘      要：随着摩尔定律发展速度逐渐减缓,MOSFET特征尺寸的继续缩小面临诸多物理极限的限制,如源漏急剧增加的串联电阻。为此,肖特基势垒源漏MOSFET(SB-MOSFET)应运而生,它能显著降低源漏区的寄生电阻。另一方面,高迁移率沟道材料(Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体)有望代替硅作为CMOS器件的衬底材料,成为国际研究热点。但由于Ge与金属接触较高的界面态密度,会产生“费米钉扎效应,部分抵消了SB-MOSFET的优势。基于此,本文采用Silvaco TCAD仿真软件,首先分析了肖特基势垒高度对金-半接触的开态/关态电流及其开关比的影响规律;然后从实验上制备了Ni Ge/Ge金-半结,研究了热退火对其接触特性的影响;最后,再利用Silvaco软件对Ge和Ge OI SB-MOSFETs进行了电特性仿真分析。首先,利用Silvaco软件分析了不同电子肖特基势垒高度(e SBH)分别对金属/n-Ge接触和金属/p-Ge接触电特性的影响。结果表明,对于金属/n-Ge接触,e SBH越高,肖特基二极管的关态电流越小;对于金属/p-Ge接触,随e SBH增加,呈现出类欧姆接触特性。在此基础上,进一步分析了不同衬底掺杂浓度对金属/n-Ge和金属/p-Ge的影响,发现掺杂浓度越高,金属/n-Ge接触的开态和关态电流都随之增大,而对于金属/p-Ge接触,掺杂浓度越高则欧姆接触特性越明显;对合金深度的分析表明,随合金深度增加,关态电流增加。基于上述仿真结构,实验上制备了Ni Ge/Ge金-半结,分析了不同退火温度和不同掺杂浓度对Ni Ge/n-Ge、Ni Ge/p-Ge以及两者背对背连接时接触特性的影响。从电流密度-电压(J-V)曲线提取的e SBH表明,退火温度可以调控Ni Ge/Ge接触的肖特基势垒高度,且和仿真的变化趋势吻合。随着衬底掺杂浓度增加,对于Ni Ge/n-Ge接触,肖特基二极管的整流特性变差,开态电流和关态电流均增加;对于Ni Ge/p-Ge接触,其接触电阻减小,欧姆接触特性越明显。结合SB-MOSFET的开态和关态特性要求,确定出合适的衬底浓度为1×10cm以及最佳退火温度为450℃。最后,利用Silvaco对SB-MOSFET进行了器件仿真。在上面确定的合适的衬底浓度下,针对Ni Ge/n-Ge接触不同退火温度下提取的e SBH值,分析了其对SB-MOSFET电特性的影响,确定出最佳e SBH,验证了最佳退火温度为450℃;接着分析了源漏Ni Ge合金深度(T)对SB-MOSFET电特性的影响,发现当T=10nm时器件性能最好。在此基础上,比较了Ge基和Ge OI基SB-MOSFET的电性能。结果表明,后者的关态电流较前者减小约三个量级,由此进一步分析了Ge OI中Ge层厚度(T)对电性能的影响,得出当T=10nm时,沟道全耗尽,可获得优良的器件电性能。这些仿真分析结果对实际SB-MOSFET的设计制备具有指导作用。