半导体器件中材料、工艺结构、模型之间的关系

作者：若明  

半导体发展至今，无论是从材料，结构，加工技术模型等方面都发生了很多的改进，半导体器件的尺寸在不断地缩小，集成度也在不断提升。工艺制程从90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm、到现在的7nm，5nm, 3nm。随着集成度的要求，器件尺寸在变小，相应的也会出现各种问题，如短沟道效应(DIBL、迁移率退化等)、栅极漏电增大、栅控能力下降等诸多问题，于是大家不断地从材料、结构、工艺这三个方面寻找方法，为下一代的工艺制程提供方案。每次材料、工艺结构的改变，对器件模型来讲都是一次挑战，器件模型开发工程师们需要开发新的模型来表征新材料，新结构，新工艺下的器件特性。

图1：材料、结构、工艺示意图

材料方面：

第一代半导体是“元素半导体”。20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。 然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面，应用于毫米波器件、卫星通讯、移动通讯和GPS导航等领域。 在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓等为代表，因其具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗辐射能力等优异性能，适用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，可大幅提升能源转换效率，降低系统成本。

工艺结构方面：

为了延续传统平面型晶体管制造技术的寿命，弥补关键尺寸缩小给传统平面型晶体管带来的负面效应，业界研究出了很多能够改善传统平面型晶体管性能的技术。下面就业界常用的技术做一些介绍：

应变硅技术：晶体管尺寸变小带来了垂直电场引起的迁移率劣化。有许多方法来增强晶体管的性能和移动性。如图1（应变硅技术）所示，应变硅技术就是使用各种手段，物理地拉伸或压缩硅晶体，进而增加载流子（电子/空穴）迁移率并增强晶体管的性能。

HKMG技术：SiO2电介质的厚度应与其通道长度成正比，如果氧化物厚度随尺寸进一步降低，栅极泄漏将增加到不可接受的水平。因此选择具有高介电常数（K）的介电材料，以增加氧化物电容，成不错的解决方案。HKMG是以 High-K 绝缘层替代传统的 SiO2氧化层，并以金属材料栅极替换旧有的硅材料栅极的一项技术，这项技术主要有助于晶体管开关速度的提升，并可减小栅极的漏电流。

SOI（绝缘体上硅）技术：与传统MOS结构相比，SOI MOS结构（图1 SOI技术，PDSOI, FDSOI）的主要区别在于：SOI器件具有掩埋氧化层（BOX层），其将基体与衬底隔离。掩埋氧化层的基本思想是减少寄生结电容。寄生电容越小，晶体管工作越快。胡正明教授及其团队于2000年提出了UTB-SOI（FD SOI）。由于有BOX层，不存在远离栅极的泄漏路径，这会导致更低的功耗。因此特别适合移动和消费级多媒体应用。缺点：PDSOI的浮体电压导致阈值电压不稳定；隔离导致自热问题。

FinFET技术：随着设备尺寸的缩小，在较低的技术节点，例如22nm，短沟道效应开始变得更明显，降低了器件的性能。为了克服这个问题，胡正明教授及其团队于1999年提出了FinFET的概念。FinFET是三维结构（图1 结构: FinFET），也可称为三栅晶体管。FinFET可以在Si或SOI晶片上实现。该FinFET结构由衬底上的硅体薄（垂直）翅片组成。因为它的Si体类似于鱼的后鳍，因此也称鳍式晶体管。

GAA（Gate-All-Around）纳米技术：Gate-All-Around就是环绕栅极（图1 结构：GAAFET, MBCFET），相比于现在的FinFET Tri-Gate三栅极设计，将重新设计晶体管底层结构，克服当前技术的物理、性能极限，增强栅极控制，性能大大提升。三星的GAA技术叫做MBCFET（多桥通道场效应管）。这项技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状（可以理解为棍状）或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后，实现MOSFET的基本结构和功能。

模型方面：

每一次材料或者工艺结构的改变，对器件模型来讲，都面临着新的挑战。从最开始的Schichman-Hodges（Level 1）模型，非常简单，不包括载流子迁移率退化、载流子饱和效应，常用于不需要详细模拟模型的情况下模拟大型数字电路。再到Grove-Frohman（Level 2）模型，它是基于几何图形的分析模型，包括了短沟道，窄沟道效应，迁移率退化，载流子饱和等效应。器件模型也在随工艺结构的改进而改进。值得一提的是BSIM Group 全称是Berkeley Short-channel IGFET Model Group，是加州大学伯克利分校胡正明领导的一个小组。他们发展出了一系列精确的MOSFET Spice Model，即BSIM，现如今已经成为了工业界的一个标准。MOSFET模型在仿真器中提供了一系列Level号，以Synopsys为例，它提供了Level 6 IDS: MOSFET模型或BSIM模型之一（Level 13、28、39、47、49（BSIM3V3）、53、54（BSIM4）、57、59、60、70（BSIMOI4.0））。 所以在您建模或者仿真的时候就需要选择合适的MOSFET模型版本，以达到最佳的模型拟合效果和仿真结果。图2列出了工业界常用的器件分类和所对应的模型。  

图2：工业界常用的器件模型

编辑：黄飞