FINFET器件特性与NBTI效应研究

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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Vth模型进行修正,得出了三栅FINFET的Vth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,Vth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Vg对阈值电压Vth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Gmmax和漏电流Ids减小,阈值电压Vth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Vth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。
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