高迁移率沟道器件的可靠性及输运特性的研究

发布时间：2018-07-15 09:35

【摘要】：当半导体技术进入90 nm技术节点之后,仅仅缩小晶体管的沟道长度来提升集成电路性能的发展路线已经难以为继。应变硅技术、高介电常数栅氧层/金属栅极(High-k/metal gate)技术、新型器件结构、新型高迁移率沟道材料(Ge、Ⅲ-Ⅴ族)等新技术的研究成为集成电路技术研究的主要方向,各种新技术互相结合、互相促进是半导体产业不断前行的动力。本论文主要研究应变硅器件和绝缘层上的硅(Si-on-insulator, SOI)器件的可靠性、高迁移率沟道器件中的载流子输运特性以及采用新器件结构的Ge基晶体管的迁移率和可靠性,主要取得了以下成果：论文首先研究了应变硅器件和SOI器件的可靠性问题。系统地研究了单轴张应变对p-n结正向电流的影响,发现单轴张应变会显著增加大注入区电流,并使扩散区域电流较小增长,同时应变还会导致扩散电流区和大注入区p-n结的理想因子变小。进一步分析了单轴和双轴张应变对nMOSFET和pMOSFET栅极漏电流(Ig)的影响,发现单轴和双轴张应变导致nMOSFET在反型和积累条件下Ig减小。单轴张应变导致pMOSFET的Ig增大。在以上实验的基础上,我们首次通过实验验证了纯粹应变导致的pMOSFET负偏压不稳定性(NBTI)的变化,在固定栅氧层电场(Eox)和固定Ig的条件下,单轴和双轴张应变都使NBTI特性变差,单轴和双轴压应变都导致NBTI特性变好。对于超短沟道的SOI器件,我们首次通过实验和模拟证明了在短沟道器件中,nMOSFET和pMOSFET的BTI特性随沟道长度缩小而逐渐变好。Ge基nMOSFET和SiGe量子阱pMOSFET作为新型高迁移率沟道材料的代表,本论文研究了电子和空穴在其中的输运问题。对于Ge基nMOSFET,通过求解自洽的薛定谔泊松方程,计算不同晶面Ge基nMOSFET中反型层电子在各个能级中的分布,进一步分析电子的声子散射限制的迁移率(μph)和表面粗糙度散射限制的迁移率(μsr),并结合实际器件的电学测试结果,研究Ge基nMOSFET中电子输运特性与Si基nMOSFET的不同。进而发现不同晶面Ge nMOSFET中声子散射和表面粗糙度散射的作用不同；首次证明了在Ge(100)nMOSFET中,高场条件下声子散射仍然是影响迁移率的主要散射机制,而非表面粗糙度散射。因此,仅仅改善界面的粗糙度很难有效地提升Ge(100)nMOSFET的高场迁移率；Ge(111)nMOSFET和Ge(110)nMOSFET在高场条件下,谷间散射减小,同时载流子重新分布进入具有较高μph的L//能谷,因而具有较大的μph,可以通过改善表面粗糙度来提升电子的高场迁移率。对于SiGe量子阱pMOSFET,利用施加背栅压的方法研究了沟道中合金散射对空穴迁移率的影响,发现合金散射主要作用于有效电场强度比较小的区域,合金散射限制的迁移率(μalloy)对有效电场强度(Eeff)的依赖关系要弱于μph,因而合金散射对于正常工作于高场条件的SiGe量子阱pMOSFET影响不大。论文通过实验和理论模拟发现在GeOI(Ge-on-insulator) MOSFET中,载流子在沟道中的分布的差异导致积累型(accumulation mode, AM) MOSFETs具有较高的峰值和高场载流子迁移率。AM nMOSFET、反型模式(inversion mode, IM) nMOSFET、AM pMOSFET、IM pMOSFET中的载流子迁移率对背栅压的依赖关系不同,其中AM nMOSFET和AM pMOSFET的峰值迁移率和高场迁移率可以通过施加背栅压得到更多的改善。论文首次研究了超短沟道Ge纳米线(nano-wire, NW) nMOSFET中的RTN现象,并提取了相应缺陷态的基本参数,证明了超短沟道Ge NW nMOSFET中的低频噪声来源于载流子迁移率的浮动而非载流子数目的变化。在超短沟道Ge NW nMOSFET中,电子的弹道输运特性使低频噪声随沟道长度减小而降低,从而证实了短沟道Ge基晶体管在低频噪声抑制方面具有独特的优势。在实际应用中,通过缩小晶体管的沟道长度、降低沟道掺杂浓度、减小EOT、增大NW高度可以在提升Ge NW nMOSFET工作性能的同时抑制低频噪声。
[Abstract]:This paper studies the reliability of strained silicon devices and SOI devices . The results are as follows : Firstly , the effects of uniaxial and biaxial tensile strain on the reliability of n - MOSFET and p - n junction are studied .
For the first time , in Ge ( 100 ) nMOSFET , phonon scattering in high field condition is still the main scattering mechanism which affects mobility , rather than surface roughness scattering . Therefore , it is difficult to improve the high field mobility of Ge ( 100 ) nMOSFET only by improving the roughness of the interface .
For SiGe quantum well pMOSFET , the effect of carrier mobility on hole mobility is studied by applying back gate voltage .
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

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