新型部分耗尽SOI器件体接触结构

1 新结构的提出
    如图2所示，本文提出了一种新的体接触技术，该方法利用局部SIMOX技术，在晶体管的源、漏下方形成离Si表面较近的薄氧化层，采用源漏的浅结扩散，形成侧向体引出结构。未在此基础上，适当加大了Si膜厚度来减小体引出电阻，与以往方法相比，该方法具有较小的体-源、体-漏寄生电容，完全消除了背栅效应、体引出电阻随器件宽度增大而减小，体电阻可以随Si膜厚度的加大而减小，且不以增大寄生电容为代价等优点。因而，该器件能更有效地抑制浮体效应。而且，为形成局部埋氧层，该方法仅仅在工艺上增加了一块掩模版，其他的工艺流程跟标准的SOI CMOS工艺一致，因此该方法具有很好的工艺兼容性。

    该结构可以利用低能量、低剂量局部SIMOX技术实现，为了在器件的沟道下方不形成BOX层，在氧离子注入时，利用Si02掩膜进行覆盖，掩膜采用RIE(reactive ion etching)，根据形成的局部埋氧层的深度和厚度确定注入的能量和计量，注入完成后，在Ar+0．5％O2的气氛中进行高温退火数小时形成局部埋氧层。Y．M．Dong和P．He等人的实验结果验证了局部SIMOX技术在工艺上的可实现性，利用透射电子显微镜对样品的微结构进行观察，其源、漏下方的BOX层非常完整，BOX层的端口与多晶Si栅相对齐，间距略微大于栅的长度。整个单晶Si的表面非常平整，源漏区没有因为形成BOX层而抬高，也没有在退火过程中受到氧化而降低。表l为新型结构器件的主要工艺参数，其中：Tox为栅氧厚度；TSi为Si膜厚度；Tbox为埋氧层厚度；Tsdbox为源漏下埋氧层厚度；Nch为沟道掺杂浓度；Nsub为衬底掺杂浓度；Ldrawn为沟道长度；Wdrawn为沟道宽度；Xj为源漏结深。

2 模拟结果与讨论
    采用ISE—TCAD模拟器对器件进行模拟并讨论模拟结果。体接触可在一定程度上抑制浮体效应。体接触的效果还与接触位置、器件的尺寸和工艺有关。如果体接触效果不好，漏结碰撞电离产生的空穴仍然会在体区积累，使得体区空穴浓度增大，体区电位升高，阈值电压降低，因而漏电流增大。图3为浮体器件、T型栅体接触结构和本文提出的新型体接触结构的输出特性、切线处空穴浓度和器件的转移特性曲线，三种结构工艺条件相同。由图3可见，本文提出的结构体区空穴浓度最低、阈值电压最高、没有kink效应发生，成功的抑制了浮体效应的产生。

[page]  图4是T型栅接触和新型体接触结构的输出特性随器件宽度变化情况对比。从图中可以清楚地发现T型栅在器件宽度较大时，漏电流特性变化更加剧烈，kink效应明显，而新结构没有出现kink效应。这是因为随着器件宽度的增加，H型栅体引出电阻增大，kink效应的触发电压逐渐降低。而新结构采用的侧向体引出结构，该结构的体电阻随器件宽度增加而减小。因而，在器件宽度较大时，该结构抑制浮体效应的效果明显。

    由此可见，器件的体引出电阻的大小对浮体效应的影响是至关重要的，为了有效抑制浮体效应，较小的器件体电阻是很必要的。C．F．Edwards等人报道了体接触电阻的一级近似计算公式

    
式中：Weff为有效沟道宽度；Leff为有效沟道长度；NA为沟道掺杂浓度；up为载流子迁移率；TSi为Si膜厚度；ε0和εSi分别为真空介电常数和相对介电常数。由式(1)可知，体电阻Rb跟Si膜厚TSi成反比，加大Si膜厚度可以降低体电阻。但是，通常SOI器件的源端和漏端都是扩散到埋氧层的，增大Si膜厚度会使器件源端和漏端与体区的接触面积增大，致使体寄生电容增大，从而影响器件性能，寄生电容的增大也会延长体放电的时间，不利于抑制浮体效应，而且，较大的源漏结深可能引起穿通效应。
    本文提出的体接触结构可以解决这一矛盾。该结构在源漏下面用低能量、低剂量注氧退火生成的局部氧化层，采用源漏浅结扩散，源漏区面积小，体区寄生电容比较小，而且寄生电容不会随着Si膜厚度的增加而增加。图5是膜厚度对体区空穴引出速度RbCb的影响。从图中可以看到，随着器件厚度的增加H型栅的RbCb延时趋于饱和，而新结构的延时随着Si膜厚度的增加而减小。这和刚才分析的结果相符合。说明随着器件宽度增加，H型栅结构的体电阻Rb减小，但与此同时，体电容Cb增大，在而且Cb增加的幅度和风减小的幅度一致，从而使得RbCb趋于饱和。而对于新体接触结构而言，电阻Rb随Si膜厚度增加而减小的同时，体电容Cb并不改变，因此，RbCb随Si膜加大而逐渐减小。以上的讨论结果说明，该结构可以在不增加寄生电容为代价的情况下，通过适当的增加Si膜厚度的方法来减小体引出电阻，从而更好地抑制浮体效应。需要注意的是，如果这种器件Si膜比较薄，由于采用侧向体引出结构，结深和局部埋氧层所占的空间导致体引出通道较窄，导致体电阻变大，这是不希望看到的，因此实际应用时，新结构器件的Si膜厚度必需足够大，实验数据表明，250 nm Si膜厚度的新结构器件和200 nm Si膜厚度的常规器件的体电阻大小相当，这说明在其他工艺参数相同的情况下，新结构器件的Si膜厚度要大于250 nm的情况下，其优势才会明显。另外，在Si膜较厚的情况下可以考虑用逆向掺杂技术使体区杂质浓度加大，进一步减小体电阻。这就要考虑工艺对浮体效应的影响，超出本文的讨论范围。关于工艺对浮体效应的影响将在以后做进一步研究。

3 结论
    本文提出了一种体接触结构，与其他体接触技术相比，该方法的体引出电阻小，寄生电容小，体引出效果不受器件宽度的影响。并且可以在不增加寄生电容为代价的情况下，通过适当的增加Si膜厚度的方法减小体引出电阻，从而更好地抑制浮体效应。另外，由于源和漏的浅结扩散，没有达到SOI的BOX层，不会形成背栅开启的沟道，因此，该结构不存在背栅效应。