基于Silvaco Atlas的SOI 器件性能仿真研究

作者/黃瑋、 楊月霞、 林慧敏，江蘇信息職業技術學院

項目：江蘇高校品牌專業建設工程資助項目，項目編號ppzyB190。

基于Silvaco Atlas的SOI 器件性能仿真研究

作者/黃瑋、 楊月霞、 林慧敏，江蘇信息職業技術學院

項目：江蘇高校品牌專業建設工程資助項目，項目編號ppzyB190。

本文主要針對SOI器件結構展開研究，對于SOI MOS器件的結果和特性進行分析，討論，并利用SILVACO TCAD軟件來對SOI的器件結構與性能進行仿真，與研究分析結果進行比對，可以看出SOI器件能夠有效改善MOS器件的閾值和亞閾值特性。

Silvaco Atlas；SOI結構；SOI MOS器件

引言

集成電路發展迅速，特征尺寸不斷減小，目前，大型半導體制造商三星，臺積電等的主流工藝節點是14納米，16納米，但是目前三星已經預告開發7納米制造工藝，并預計在未來幾年問世。隨著特征尺寸的不斷減小，對集電電路的結構，制造工藝，原材料的要求也越來越高，傳統的器件結構已經無法滿足電路性能的要求了。FinFET，SOI結構等能有效改善特征尺寸不斷縮小過程中所遇到的問題。

其中SOI結構可以有效抑制CMOS電路中常見的閂鎖效應，具有抗輻照性能好，工作速度快，功耗低，成本低等優點。為Global Foundries，Samsung等制造商所采用。

采用器件仿真軟件Silvaco TCAD，可以有效研究SOI MOS器件的特性。Silvcao TCAD軟件可以進行一維，二維和三維工藝仿真，還可以進行二維和三維器件仿真。主要包括ATHENA工藝仿真工具和ATLAS器件仿真工具。本論文中主要使用ATLAS工具對器件結構及特性進行研究。

1. SOI結構

SOI（Silicon On Insulator ）技術, 全稱為絕緣體上的硅。頂層硅跟襯底之間加入了一層埋氧層。

根據頂層硅膜厚度，將SOI分成了厚膜和薄膜兩類。通過柵下半導體表面的最大耗盡層寬度xdm為標準來進行劃分，若硅膜厚度tsi＞2xdm，則屬于厚膜SOI器件，在正背界面耗盡區之間存在中性區域，硅膜并沒有完全耗盡，所以又稱為部分耗盡SOI器件（PD SOI）。若SOI器件的頂層硅膜厚度tsi＜xdm，則屬于薄膜SOI器件，硅膜處于全耗盡狀態，這類器件又稱為全耗盡SOI器件（FD SOI）。

現通過Silvaco軟件來模擬SOI的器件結構。首先定義網格結構，并確定各區域的材料類型。設定電極，并定義各摻雜區域的摻雜濃度和類型。

由于PDSOI的頂層硅膜較厚，所以在在硅膜與上下二氧化硅層的交界面耗盡層間還有一個中性層。在埋氧層的絕緣隔離作用使該區域處于電學浮空狀態，而這種狀態會導致SOI器件產生了一些不良的效應。在實際應用中發現，對于PDSOI器件中，一旦漏電壓高于某值，在漏極附近的高電場區中溝道電子便能得到充足的能量，通過碰撞電離得到電子—空穴對，電子穿過溝道區到達漏極，空穴則到達浮空區域處。由于SOI結構中的氧化物埋層所帶來的隔離作用，使體浮空區處在了空穴積累的狀態，并讓源—體結正向偏置，導致浮空區的電壓升高。在漏電壓的不斷增加下，閾值電壓在減小，導致了漏電流的增加，從而產生翹曲效應。

圖1 FDSOI Silvaco仿真結構圖

圖2 PDSOI器件輸出特性曲線

通過Silvaco模擬了在不同柵壓作用下，漏極電流隨漏偏壓變化的電路特性曲線，可以看到PDSOI中的I—V特性曲線在圈出部位出現了翹曲效應，而FDSOI中就不會出現這樣的現象。這正是由于FDSOI器件中，頂層硅的厚度較薄，不需要溝道摻雜，所以只有一個全耗盡層，源和體之間的勢壘相當小，空穴的結合大部分發生在有源區中，不存在空穴積累，因而并不會產生“翹曲效應”。

所以在SOI器件的使用中，主要使用的是FDSOI器件。

2. SOI MOS器件特性

使用Silvaco Atlas工具，通過合適的器件仿真模型，可以對于SOI MOS器件的性能進行模擬。閾值電壓是MOS器件非常重要的一個參數，表明了MOS器件的開啟條件，SOI MOS器件同樣具有閾值電壓。

但是對于小尺寸器件來說，不僅要考慮閾值特性，還需要考慮亞閾值特性。晶體管的亞閾是指柵電壓小于閾值電壓，但是已經大于0時，即半導體表面弱反型時的狀態，此時已經存在微弱的電流，稱為亞閾值電流，器件的亞閾值特性會影響電路的泄漏電流和靜態功耗，在電路應用中占了很大的比重。一般用亞閾值斜率來描述器件的亞閾值特性，其定義為亞閾值區漏端電流增加一個數量級所要增進的柵電壓，反映了電流從關態到開態的轉換陡直度。具體對應于采取半對數坐標的器件轉移特性曲線（ID～Vgs關系）中亞閾值區線段斜率的倒數，可以表現為：

通過仿真可以得到上面建立的FDSOI結構的亞閾值特性，模擬仿真結果表明亞閾值斜率為72mV/decade，當漏偏壓很小時，漏極電流隨著漏偏壓的上升而迅速增大，亞閾值斜率較大。比起類似結構參數的體硅MOS器件來說，FD SOI器件的亞閾值性能有了較大的提高。

3. 結論

隨著集成電路的發展，伴隨著產品性能的不斷提高，器件結構和性能的改進就變得很重要，但是由于集成電路制造成本較高，所以不太適合通過生產來檢驗性能。器件仿真軟件的使用，可以有效的解決這一問題。本文使用Silvaco Atlas器件仿真工具對于SOI器件展開研究，比較了PDSOI器件和FDSOI器件的性能，并對FDSOI器件的閾值特性和亞閾值特性進行了分析。通過仿真可以更直觀的觀測到結果，驗證理論分析，是實現器件結構的改進的有效方法。

圖3 FD SOI的亞閾值斜率

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＊ [5] 劉新宇，孫海峰，劉洪明等.全耗盡CMOS/SOI工藝[N].半導體學報

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