發(fā)布時間：2018-07-15 09:35

【摘要】：當半導體技術進入90 nm技術節(jié)點之后,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。應變硅技術、高介電常數(shù)柵氧層/金屬柵極(High-k/metal gate)技術、新型器件結構、新型高遷移率溝道材料(Ge、Ⅲ-Ⅴ族)等新技術的研究成為集成電路技術研究的主要方向,各種新技術互相結合、互相促進是半導體產(chǎn)業(yè)不斷前行的動力。本論文主要研究應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特性以及采用新器件結構的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)地研究了單軸張應變對p-n結正向電流的影響,發(fā)現(xiàn)單軸張應變會顯著增加大注入?yún)^(qū)電流,并使擴散區(qū)域電流較小增長,同時應變還會導致擴散電流區(qū)和大注入?yún)^(qū)p-n結的理想因子變小。進一步分析了單軸和雙軸張應變對nMOSFET和pMOSFET柵極漏電流(Ig)的影響,發(fā)現(xiàn)單軸和雙軸張應變導致nMOSFET在反型和積累條件下Ig減小。單軸張應變導致pMOSFET的Ig增大。在以上實驗的基礎上,我們首次通過實驗驗證了純粹應變導致的pMOSFET負偏壓不穩(wěn)定性(NBTI)的變化,在固定柵氧層電場(Eox)和固定Ig的條件下,單軸和雙軸張應變都使NBTI特性變差,單軸和雙軸壓應變都導致NBTI特性變好。對于超短溝道的SOI器件,我們首次通過實驗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問題。對于Ge基nMOSFET,通過求解自洽的薛定諤泊松方程,計算不同晶面Ge基nMOSFET中反型層電子在各個能級中的分布,進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),并結合實際器件的電學測試結果,研究Ge基nMOSFET中電子輸運特性與Si基nMOSFET的不同。進而發(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,同時載流子重新分布進入具有較高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)對有效電場強度(Eeff)的依賴關系要弱于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。論文通過實驗和理論模擬發(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,電子的彈道輸運特性使低頻噪聲隨溝道長度減小而降低,從而證實了短溝道Ge基晶體管在低頻噪聲抑制方面具有獨特的優(yōu)勢。在實際應用中,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 .
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN386

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本文編號：2123626