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鰭式場效電晶體及矽與矽鍺金氧半電容器可靠度之研究

為了解決Jammy26的問題，作者張晏誠 這樣論述：

現今大部分的科技產品皆追求輕、薄、操作快速，因此電晶體為了增加其經濟價值及操作性能，不斷隨著摩爾定律(Moore''s law)微縮，但電晶體在微縮的過程中，逐漸達到其物理極限，摩爾定律也因此慢慢地走到盡頭，若要再進一步提高驅動電流勢必要改變通道材料及元件結構，因此發展出目前市場上常見的鰭式場效電晶體(Fin Field Effect Transistor, FinFET)，及將矽鍺(Silicon Germanium, SiGe)整合入P型鰭式電晶體作為通道的前瞻元件，但追求元件性能的同時，元件的耐用性也是相當重要的，因此本研究將分別對矽鍺金氧半電容器(Metal-Oxide-Semico

nductor Capacitor, MOSCAP)及鰭式場效電晶體做可靠度分析及劣化機制探討。矽鍺材料具有較矽要良好的載子遷移率，因此應用於P型場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET)能大大提升驅動電流並且使互補式金氧半導體電路(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)更為相容。然而將矽鍺整合入互補式金氧半導體電路有相當的難度，其中原因包括鍺的氧化物(GeO2、GeO)具水溶性及熱不穩定性，以及矽鍺磊晶於矽基板上中晶格不匹配的問題，這導致氧化層與通道的介

面產生許多缺陷進而影響可靠度。P型場效電晶體操作在負偏壓的條件下，在負偏壓條件下通道會反轉出電洞，加上溫度的影響電洞會與Si-H產生電化學反應導致Si-H斷鍵。這些斷鍵扮演著缺陷的角色，使元件在操作的時候電流下降及次臨界擺幅(Subthreshold Swing, S.S.)劣化，因此負偏壓溫度不穩定性(Negative Bias Temperature Instability, NBTI)在P型場效電晶體尤為重要。本文第一部分將對矽與矽鍺金氧半電容器之電容特性進行比較及分析，另外，進一步探討兩電容器在負偏壓溫度不穩定性測試下的劣化差異，且透過電導法定量萃取介面缺陷及透過平帶電壓(Flat-B

and Voltage, VFB)探討電洞的注入量，並提出合理的機制。鰭式場效電晶體有別於傳統的平面電晶體，鰭式結構具有三面閘極(Tri-gate)包覆於立體通道的外側，這能大幅提升元件的閘極控制能力，同時抑制了平面結構電晶體的短通道效應(Short Channel Effect, SCE)。由於結構的改變，電晶體在操作時的電場分佈也會跟著改變，因此可靠度及元件劣化趨勢也會不一樣。由於隨通道越來越短，通道中的橫向電場也會越來越強，N型的場效電晶體通道中的電子會受電場加速進而產生熱載子，熱載子會導致一連串的劣化，最終使電晶體判讀錯誤，例如:起始電壓(Threshold Voltage, Vth)

的飄移、次臨界擺幅劣化…等。因此熱載子不穩定性(Hot Carrier Instability, HCI)在電晶體未來的發展是個關鍵的議題。本文第二部分將會探討在長通道之鰭式場效電晶體，經過熱載子不穩定性測試後，飽和區的轉導特性有不對稱劣化的現象，透過改變碰撞游離(Impact Ionization, I.I.)的程度及橫向電場探討其劣化機制，並提出合理解釋。