一种快速提取无源漏三栅结构场效应管阈值电压的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体技术领域，具体设及一种快速提取无源漏Ξ栅(Triple-Gate) 结构金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 阔值电压的方法。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路忍片集成度不断提高和器件几何尺寸的不断缩小，在纳米尺度场效 应管发展过程中，已经逐步从平面工艺向立体结构发展。对于纳米尺度场效应管，由于源漏 越来越小，制备工艺越来越复杂，所W人们提出无源漏结构的场效应管。运种器件的源漏与 沟道的渗杂浓度和渗杂类型是一样的，在简化工艺的同时，降低了源漏接触电阻，使器件的 性能得到提高。对于传统源漏结构器件，当半导体处于强反型时器件导通。而对于无源漏结 构器件，当半导体处于全耗尽时为关断，当半导体为部分耗尽时器件开始导通。在各类立体 器件结构中，无源漏Ξ栅结构场效应管，由于栅极可W将沟道完全包围，其集成密度高、栅 对沟道控制能力强，工艺相对简单容易实现。运种器件能够更好抑制短沟道效应，降低器件 的静态功耗，使得亚阔值电流最小化，Ξ栅场效应管进入纳米尺度是最理想的结构。因此对 运种无源漏Ξ栅场效应管，创建解析模型变得尤为重要。同时对此纳米尺度无源漏Ξ栅结 构场效应管的阔值电压提取日益受到工业界关注。W往传统平面工艺的体娃场效应管的阔 值电压提取方法已经不能适应，给运种新型纳米尺度器件的实际应用提出了新的挑战。
[0003] 阔值电压瑶是场效应管最为重要的参数之一，传统器件阔值电压的定义为:达到 阔值反型点时候所需要的栅压，对于11型器件当表面势等于2倍的电子准费米电势^^=端时 的器件状态，或者对于P型器件当表面势等于2倍的空穴准费米电势= 时的器件状态。 为了使用电路模拟软件能够正确模拟电路特性，快速、准确提取阔值电压是不可或缺、至关 重要的。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明目的在于提供一种形式简洁、物理概念清晰，且精度高的快速提 取无源漏Ξ栅结构场效应管阔值电压的方法。
[000引本发明提出的无源漏Ξ栅结构场效应管阔值电压提取方法，可W被植入电路仿真 软件，对由运种器件构成的电路行为进行准确仿真。
[0006] 对于无源漏Ξ栅场效应管，当器件处于部分耗尽区时，泊松方程中的电荷项主要 是由不可移动的电离杂质所决定，当源漏、半导体都为Ν型渗杂时，其沟道区电势分布可W 通过直角坐标系下的Ξ维泊松方程表示：
上式中J为沟道电势，为电子电荷，親为沟道施主渗杂浓度，g滋为娃的介电常数，V为 准费米电势，Vt为热电势，室溫下为0.026 V。
[0007] 在求解沟道电势解析分布时，源端电压吗是一个恒定值，我们把它设定为参考电 势。器件的边界条件可W做如下简化：
假设器件底部埋氧化层足够厚，使埋氧化层中的电场强度足够小(运在实际中是容易 办到的），从而可W忽略埋氧化层中电场对沟道电学特性的影响，器件沟道底部与埋氧化层 界面处的边界条件式(6)可由下式替代：
(7) 设定的参考电势時是源端电势，￡是沟道长度，是漏端的外加偏置电压S。-- tSs是 栅极的有效电压偏置，吃是栅极电压/s是平带电压。假设栅氧化层没有界面电荷、固定电荷 W及各类表面散射，界面态是理想状态，则有?=巧-3'。,勺，其中Wm和Ws分别为栅和半导 体的功函数。
[0008] 另外，为了简化计算，将氧化层等效替换为娃介质，即可W将氧化层等效为娃，得 到等效宽度和等效高度：
式中Tex是器件氧化层厚度，顶栅氧化层与侧栅氧化层厚度相同，Teff和出ff分别对应 等效归一化之后的有效沟道宽度和有效沟道高度，出in和Wfin分别是实际器件的沟道高度和 宽度，Edx是栅氧化层的电介质常数。
[0009] 外加栅压低于阔值电压时，即器件处于亚阔值区时，器件处于耗尽的状态，器件此 时还未开启，沟道内部电势相比于准费米电势要小很多，则原泊松方程后的指数项 exp艇-F)/別即可忽略。为了方便求解，原（1)式的泊松方程简化为：
(10) 传统阔值电压模型的定义:表面电势最低点的电势等于2倍的费米电势即典时所对应 的栅电压。但运个定义对于我们所研究的新型无源漏器件来说不适用，因为传统器件在沟 道表面强反型时导通，而无源漏器件在部分耗尽时导通。为此本发明采用新的阔值电压定 义：当沟道处于部分耗尽时所加的栅压，即为阔值电压。具体来说，当沟道中屯、电势最小值 比准费米电势小2倍热电势时所加的栅压，为阔值电压。
[0010] 由边界条件式(2)和式(3)来确定沟道电势分布，可W得到W下级数形式的沟道电 势分布解：
把式（11)代入式(4)，再将按傅里叶级数展开，使得鶴满足W下傅里叶 变换：
(15) 结合式(11)和式(15)，即把沟道电势表示为常量项^;;-?^>与正弦级数项和的形式：
结合式（11)和式（16)，因为xyz分别处于Ξ个独立的维度上，且器件模型在Ξ个维度上 具有绝对收敛性，由此我们可W得到沟道电势表达式：
式中斬由（17)式给出，；
t=Teff/2，h=出ff，m, η, 和1均为正整数。
[0011]由式(18)我们确定沿沟道中必电势分布的最低点坐标^猫S，其表达式近似为：
根据上述求解过程我们可W获得沟道电势的解析表达式，取沟道底部中屯、电势最低的 电势做;化成逆为平均电势iL 織渡巧，即：
(21) 当器件沟道电势满足上式时，规定此时对应的外加栅压为阔值电压，即为本发明获取 阔值电压的解析模型：
【附图说明】
[0012] 图1为无源漏Ξ栅金属氧化物半导体场效应管结构图。
[0013] 图2为无源漏Ξ栅金属氧化物半导体场效应管截面图。
[0014] 图3为阔值电压与沟道长度关系图。
[0015] 图4为阔值电压与源漏电压关系图。
[0016] 图5为阔值电压与栅氧厚度关系图。
[0017] 图6为阔值电压与参杂浓度关系图。
[0018] 图7为本发明方法流程图示。
【具体实施方式】
[0019] 针对【背景技术】提及的问题，现有的TCAD仿真软件中计算无源漏Ξ栅场效应管阔值 电压，通过数值计算进行。
[0020] 通过我们的解析模型计算，可W得到阔值电压与沟道长度之间的关系，如图3所 示，随着沟道长度的变小，阔值电压会降低，运与传统的反型沟道器件是一样的。
[0021] 图4展示了阔值电压与源漏电压关系曲线，与传统的反型沟道器件一样，随着源漏 电压的增大，阔值电压降低。
[0022] 图5显示了阔值电压与栅氧厚度之间的关系，随着栅氧厚度的增加，阔值电压会降 低，运一特性与传统的反型沟道器件不一样。因为对于无源漏Ξ栅器件，它是在部分耗尽时 就开始导通，而沟道中被耗尽的载流子数量与栅氧化层电容成正比，栅氧厚度越大，氧化层 电容越小，被耗尽的载流子数就越少，保留下来的载流子数就越多，所W阔值电压会越小。
[0023] 图6给出在不同的参杂浓度情况下的阔值电压。随着参杂浓度的增大，阔值电压会 快速减小，因为参杂浓度的增加，导致沟道载流子浓度增大，达到部分耗尽时所需的栅压减 小，即阔值电压降低，运与传统的反型沟道器件也是不一样的。
[0024] 可W看到，利用本发明，能够快速、准确提取它的阔值电压运个关键参数，从而实 现快速地对设计出的集成电路功能进行验证，运对电路设计优化、行为仿真都具有重要的 意义。
【主权项】
1. 一种无源漏三栅结构场效应管阈值电压快速提取方法，其特征在于，首先通过求解 直角坐标系下的三维泊松方程获得该结构场效应管亚阈值区的沟道电势分布，然后根据阈 值电压的定义，沟道内平均电势等于准费米势减去2倍热电势时，所加栅压为阈值电压，得 到阈值电压解析模型，从而快速提取阈值电压;该阈值电压V th的解析模型为：其中，Vfb为平带电压，Vr为参考电位，Vds为源漏电压，其它参数如下：上式中，分别为三栅场效应管的沟道长度、宽度和高度，1^为栅极氧化层厚 度;巧和^为硅和栅极氧化物的介电常数;q为电子电量;Xmin是沿沟道中心方向电势最低 点;ND为沟道区掺杂浓度，V t是热电势，室温下等于0.026 V。
【专利摘要】本发明属于半导体技术领域，具体为一种无源漏三栅结构场效应管阈值电压的快速提取方法。本发明通过求解直角坐标系下的三维泊松方程获得这种结构场效应管亚阈值区的沟道电势分布，然后根据本发明阈值电压的定义，沟道内平均电势等于准费米势减去2倍热电势时，所加栅压为阈值电压。据此可以得到阈值电压解析模型。该阈值电压解析模型形式简洁、物理概念清晰，为电路模拟软件在获取新型无源漏三栅场效应器件阈值电压时，提供了一种快速精确的提取工具。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105447231
【申请号】CN201510775618
【发明人】胡光喜, 冯建华, 刘冉, 郑立荣
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月15日