發(fā)布時(shí)間：2018-07-15 09:35

【摘要】：當(dāng)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后,僅僅縮小晶體管的溝道長度來提升集成電路性能的發(fā)展路線已經(jīng)難以為繼。應(yīng)變硅技術(shù)、高介電常數(shù)柵氧層/金屬柵極(High-k/metal gate)技術(shù)、新型器件結(jié)構(gòu)、新型高遷移率溝道材料(Ge、Ⅲ-Ⅴ族)等新技術(shù)的研究成為集成電路技術(shù)研究的主要方向,各種新技術(shù)互相結(jié)合、互相促進(jìn)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷前行的動力。本論文主要研究應(yīng)變硅器件和絕緣層上的硅(Si-on-insulator, SOI)器件的可靠性、高遷移率溝道器件中的載流子輸運(yùn)特性以及采用新器件結(jié)構(gòu)的Ge基晶體管的遷移率和可靠性,主要取得了以下成果：論文首先研究了應(yīng)變硅器件和SOI器件的可靠性問題。系統(tǒng)地研究了單軸張應(yīng)變對p-n結(jié)正向電流的影響,發(fā)現(xiàn)單軸張應(yīng)變會顯著增加大注入?yún)^(qū)電流,并使擴(kuò)散區(qū)域電流較小增長,同時(shí)應(yīng)變還會導(dǎo)致擴(kuò)散電流區(qū)和大注入?yún)^(qū)p-n結(jié)的理想因子變小。進(jìn)一步分析了單軸和雙軸張應(yīng)變對nMOSFET和pMOSFET柵極漏電流(Ig)的影響,發(fā)現(xiàn)單軸和雙軸張應(yīng)變導(dǎo)致nMOSFET在反型和積累條件下Ig減小。單軸張應(yīng)變導(dǎo)致pMOSFET的Ig增大。在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,我們首次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了純粹應(yīng)變導(dǎo)致的pMOSFET負(fù)偏壓不穩(wěn)定性(NBTI)的變化,在固定柵氧層電場(Eox)和固定Ig的條件下,單軸和雙軸張應(yīng)變都使NBTI特性變差,單軸和雙軸壓應(yīng)變都導(dǎo)致NBTI特性變好。對于超短溝道的SOI器件,我們首次通過實(shí)驗(yàn)和模擬證明了在短溝道器件中,nMOSFET和pMOSFET的BTI特性隨溝道長度縮小而逐漸變好。Ge基nMOSFET和SiGe量子阱pMOSFET作為新型高遷移率溝道材料的代表,本論文研究了電子和空穴在其中的輸運(yùn)問題。對于Ge基nMOSFET,通過求解自洽的薛定諤泊松方程,計(jì)算不同晶面Ge基nMOSFET中反型層電子在各個(gè)能級中的分布,進(jìn)一步分析電子的聲子散射限制的遷移率(μph)和表面粗糙度散射限制的遷移率(μsr),并結(jié)合實(shí)際器件的電學(xué)測試結(jié)果,研究Ge基nMOSFET中電子輸運(yùn)特性與Si基nMOSFET的不同。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)不同晶面Ge nMOSFET中聲子散射和表面粗糙度散射的作用不同；首次證明了在Ge(100)nMOSFET中,高場條件下聲子散射仍然是影響遷移率的主要散射機(jī)制,而非表面粗糙度散射。因此,僅僅改善界面的粗糙度很難有效地提升Ge(100)nMOSFET的高場遷移率；Ge(111)nMOSFET和Ge(110)nMOSFET在高場條件下,谷間散射減小,同時(shí)載流子重新分布進(jìn)入具有較高μph的L//能谷,因而具有較大的μph,可以通過改善表面粗糙度來提升電子的高場遷移率。對于SiGe量子阱pMOSFET,利用施加背柵壓的方法研究了溝道中合金散射對空穴遷移率的影響,發(fā)現(xiàn)合金散射主要作用于有效電場強(qiáng)度比較小的區(qū)域,合金散射限制的遷移率(μalloy)對有效電場強(qiáng)度(Eeff)的依賴關(guān)系要弱于μph,因而合金散射對于正常工作于高場條件的SiGe量子阱pMOSFET影響不大。論文通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬發(fā)現(xiàn)在GeOI(Ge-on-insulator) MOSFET中,載流子在溝道中的分布的差異導(dǎo)致積累型(accumulation mode, AM) MOSFETs具有較高的峰值和高場載流子遷移率。AM nMOSFET、反型模式(inversion mode, IM) nMOSFET、AM pMOSFET、IM pMOSFET中的載流子遷移率對背柵壓的依賴關(guān)系不同,其中AM nMOSFET和AM pMOSFET的峰值遷移率和高場遷移率可以通過施加背柵壓得到更多的改善。論文首次研究了超短溝道Ge納米線(nano-wire, NW) nMOSFET中的RTN現(xiàn)象,并提取了相應(yīng)缺陷態(tài)的基本參數(shù),證明了超短溝道Ge NW nMOSFET中的低頻噪聲來源于載流子遷移率的浮動而非載流子數(shù)目的變化。在超短溝道Ge NW nMOSFET中,電子的彈道輸運(yùn)特性使低頻噪聲隨溝道長度減小而降低,從而證實(shí)了短溝道Ge基晶體管在低頻噪聲抑制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中,通過縮小晶體管的溝道長度、降低溝道摻雜濃度、減小EOT、增大NW高度可以在提升Ge NW nMOSFET工作性能的同時(shí)抑制低頻噪聲。
[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 .
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN386

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本文編號：2123626