[发明专利]一种快速提取无源漏三栅结构场效应管阈值电压的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种快速提取无源漏三栅（Triple-Gate）结构金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET,Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）阈值电压的方法。

背景技术

随着集成电路芯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，所以人们提出无源漏结构的场效应管。这种器件的源漏与沟道的掺杂浓度和掺杂类型是一样的，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，无源漏三栅结构场效应管，由于栅极可以将沟道完全包围，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。这种器件能够更好抑制短沟道效应，降低器件的静态功耗，使得亚阈值电流最小化，三栅场效应管进入纳米尺度是最理想的结构。因此对这种无源漏三栅场效应管，创建解析模型变得尤为重要。同时对此纳米尺度无源漏三栅结构场效应管的阈值电压提取日益受到工业界关注。以往传统平面工艺的体硅场效应管的阈值电压提取方法已经不能适应，给这种新型纳米尺度器件的实际应用提出了新的挑战。

阈值电压是场效应管最为重要的参数之一，传统器件阈值电压的定义为：达到阈值反型点时候所需要的栅压，对于n型器件当表面势等于2倍的电子准费米电势时的器件状态，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、准确提取阈值电压是不可或缺、至关重要的。

发明内容

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三栅结构场效应管阈值电压的方法。

本发明提出的无源漏三栅结构场效应管阈值电压提取方法，可以被植入电路仿真软件，对由这种器件构成的电路行为进行准确仿真。

对于无源漏三栅场效应管，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N型掺杂时，其沟道区电势分布可以通过直角坐标系下的三维泊松方程表示：

(1)

上式中，为沟道电势，为电子电荷，为沟道施主掺杂浓度，为硅的介电常数，V为准费米电势，V_t为热电势，室温下为0.026V。

在求解沟道电势解析分布时，源端电压是一个恒定值，我们把它设定为参考电势。器件的边界条件可以做如下简化：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

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（这在实际中是容易办到的），从而可以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)

设定的参考电势是源端电势，是沟道长度，是漏端的外加偏置电压，是栅极的有效电压偏置，是栅极电压，是平带电压。假设栅氧化层没有界面电荷、固定电荷以及各类表面散射，界面态是理想状态，则有，其中W_m和W_s分别为栅和半导体的功函数。

另外，为了简化计算，将氧化层等效替换为硅介质，即可以将氧化层等效为硅，得到等效宽度和等效高度：

(8)

(9)

式中T_ox是器件氧化层厚度，顶栅氧化层与侧栅氧化层厚度相同，T_eff和H_eff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，H_fin和W_fin分别是实际器件的沟道高度和宽度，ε_ox是栅氧化层的电介质常数。

外加栅压低于阈值电压时，即器件处于亚阈值区时，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即可忽略。为了方便求解，原(1)式的泊松方程简化为：

(10)