FINFET器件特性与NBTI效应研究

发布时间：2020-07-31 17:34

【摘要】：信息产业自20世纪中期以来得到了飞速发展,已经成为了先进国家的第一大产业。而半导体集成电路技术是信息产业的基础,目前半导体集成电路技术的发展已经趋于高性能、低功耗、多功能化的方向,这大大加快了信息化时代的前进步伐。在大规模集成电路发展过程中,场效应晶体管尺寸不断按比例缩小。MOS器件进入到纳米尺寸后,面临着很多挑战,FINFET技术应运而生,FINFET以集成度高、性能突出,从而博得了大量半导体制造厂商的青睐。FINFET器件随着不断优化,其特征尺寸还可以持续减小,因此研究FINFET器件可靠性的提升具有非常重要的意义。本文对FINFET器件结构参数对基本电学特性的影响以及FINFET器件在NBTI应力影响下的退化现象进行了深入的研究。本文主要工作:(1)对三栅SOI FINFET器件进行了仿真建模,在给出I-V特性的基本理论模型后,仿真研究了FINFET器件的结构参数(栅长、fin高以及fin宽)对I-V特性的影响:栅长增大会导致漏电流减小,而增大fin宽、fin高会使漏电流增大;通过对平面MOS器件的V_(th)模型进行修正,得出了三栅FINFET的V_(th)模型,通过软件仿真,研究了阈值电压随器件结构参数改变而变化的过程:随栅长、fin宽和fin高增大,V_(th)分别会表现出增大、减小、减小的趋势,并用FINFET的阈值电压模型解释了阈值电压变化的趋势;进行了SOI FINFET器件的基本电学特性测试实验,实际探究了器件几何参数对阈值电压的影响,为前文的仿真结论做验证;(2)对P型FINFET器件中的NBTI退化现象进行了实验测试。通过对FINFET器件在NBTI效应前后I-V特性的变化,介绍了FINFET器件NBTI效应的总体情况。研究了在NBTI应力下,器件基本特性随NBTI应力时间的漂移情况。研究了温度应力T与栅压应力V_g对阈值电压V_(th)漂移的影响,基于以上的测试和分析结果,得出以下结论:FINFET器件NBTI应力后其静态参数表现出不同程度的退化。具体情况为:线性区最大跨导G_(mmax)和漏电流I_(ds)减小,阈值电压V_(th)负向漂移,并且退化最严重。通过器件静态参数随NBTI应力时间的漂移情况分析,将器件阈值电压V_(th)的退化作为表征参数,来衡量FINFET在NBTI应力条件下的参数漂移情况;并发现器件的阈值电压随应力时间的退化呈幂函数退化关系。分析了阈值电压退化的物理机理,并得出结论:对于FINFET来说,由于栅氧化层极薄,界面陷阱电荷密度的增加是导致器件参数漂移的关键原因。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

平面图,亚阈值,门延迟,摆幅

3、类似平面结构。4、与 CMOS 工艺无兼容障碍。5、双栅自对准并和源漏自对准，MOS 器件的性能被大大的提高了。针对于以上几点研究 FINFET成为了当下的热点。Intel 的 22nm FINFET 技术已经实现量产 FINFET 能够有效抑制小尺寸效应，理想的亚阈特性[8]。同时由于沟道轻掺杂或者不掺杂，减小了载流子的库仑散而获得更高的载流子迁移率。轻掺杂使得界面附近的电场强度减小，能够减小表射和栅极隧穿。同时轻掺杂使得随机掺杂波动的影响减小，能够减少阈值电压和电流的波动。由于栅对沟道的很强的耦合作用，整个沟道的电势都跟随栅极电压，器件导通时，沟道整体反型[9]。理想亚阈特性提高了器件的关态特性，降低关流。图 1.1 为英特尔的 FinFET 相对传统 MOSFET 的亚阈值摆幅S 的改进。可以看INFET 具有更小的亚阈值摆幅S，在一个给定的工作电压下，具有更低的门延迟[10 1V 的电压下，英特尔 22nm FinFET器件在比其 32nm 传统 MOSFET 快 18%，.7V 的电压下，英特尔 22nm FinFET器件在比其 32nm 传统 MOSFET 快 37%。

平面图,平面,双栅,沟道

的科研团研发的独特 FinFET 结构掀起一段热潮，主要是因为其有效地限制短沟道效应，如图 1.2 为典型的双栅 SOI FinFET 器件。图1.2 普通的平面 SOI MOSFET 结构FINFET 的最大优势在于其双栅或者是三栅等立体结构增加了栅极对沟道的控制面积，使得栅对沟道的控制能力大大增强，从而可以有效的抑制短沟道效应，并且可以减小亚阈值漏电流。同时，FINFET 的导电沟道一般都是轻度掺杂或者是不掺杂的。因此，它可以降低杂质离子和离散的掺杂原子的散射作用。同重参杂的平面器件相比，其沟道内载流子的迁移率会大大提高。图1.3 典型的双栅 SOI FINFET 器件

双栅,器件,降低杂质,参杂

因此，它可以降低杂质离子和离散的掺杂原子的散射作用。同重参杂的平面器件相比，其沟道内载流子的迁移率会大大提高。图1.3 典型的双栅 SOI FINFET 器件

【相似文献】