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研究生: 馮浩庭
Feng, Hao Ting
論文名稱: 熱退火及通道高度對矽在絕緣體上鰭式電晶體電特性影響之研究
Effects of Thermal Annealing and Channel Height on Electrical Properties of SOI FinFET
指導教授: 張廖貴術
Chang-Liao, Kuei Shu
口試委員: 陳旻政
Chen, Min Cheng
李耀仁
Lee, Yao Jen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2015
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 95
中文關鍵詞: 鰭式電晶體
外文關鍵詞: FinFET
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  • 由於CMOS 製程技術的持續進步,使得電晶體的尺寸持續縮小,然而當電晶體縮小到低於45 nm 以下時,傳統的MOSFET 電晶體會遇到一些問題,例如:汲極與源極之間的次臨界漏電流、閘極漏電流以及製程變異的影響…等等。
    因此,作者希望藉由SOI基板及鰭式電晶體的結構來克服上述的因素,鰭式電晶體沒有傳統平面電晶體的上述問題,且鰭式電晶體與傳統平面電晶體的製程差異不大,因此鰭式電晶體被認為是實現VLSI 電路的更好選擇。鰭式電晶體連接汲極與源極之間的通道的形狀像魚鰭一樣,此通道的外型高而薄,而控制通道導通與否的閘極圍住通道的三面,因此閘極對通道有較好的控制性,可以輕易地控制通道是導通或者關閉。
    首先,作者成功完成矽在絕緣體上鰭式電晶體之元件,並得到良好的初始特性,Tinv部分可達到1.4 nm,閘極漏電流密度約為2x10-3 A/cm2。電晶體特性方面如汲極電流(3.26x10-5 A/µm)、轉導值(13 µA/V)及載子遷移率(200 cm2/V-sec)皆符合學術界標準,且次臨界擺幅特性很好約為66 mV/dec。
    第二部分,為了持續提升元件的特性,作者使用了不同的活化摻雜之方式,試圖使元件之汲極電流、最大轉導值以及界面特性能有進一步改善。實驗結果發現,使用低溫微波退火之元件的Tinv可達1.8 nm以及非常低的閘極漏電流密度6.7 x10-6 A/cm2,而使用雷射後快速熱退火之元件可以得到最大的汲極電流(8.9x10-5 A/μm)、轉導值(24.9 μA/V) 以及載子遷移率(210 cm2/V-s)。在可靠度方面,使用低溫微波退火之元件的特性比使用其他退火方式之元件較佳。
    第三部分中,作者在通道高度作調變,並沿用雷射後快速熱退火之方式來活化摻雜,且期望利用雷射後快速退火的方式得到較大的飽和汲極電流並同時能抑制臨界電壓的下降。實驗結果發現,通道高度40nm之元件的次臨界擺幅最低(71 mV/dec),不同通道高度之元件臨界電壓都可以控制在0.75 V左右,而高度60nm通道之元件會獲得最大之汲極電流(1.3x10-5 A/μm)、轉導值(21 μA/V)以及載子遷移率(220 cm2/V-s),且在可靠度方面的表現也非常優異。


    Transistors’ feature sizes continuingly scale down due to the lasting advancement of CMOS process; nevertheless, conventional MOSFET transistors confront some issues when transistors’ feature sizes scale down lower than 45 nm, such as the effect of subthreshold leakage, gate leakage, process variation, and so on.
    Therefore, the author hopes to conquer foregoing factors by SOI substrate and FinFET structure. FinFET doesn’t own the said problems MOSFET transistors have, and the processes of FinFET and MOSFET are less variant. FinFET is thus considered the better choice to attain VLSI circuit.The channel that FinFET connects to drain and sourse looks like fin and its shape is high and thin.The gate which controls path leading or not compasses three sides of channel, hence the gate has the better controlled qulity to make the channel on or off.
    First of all, SOI FinFET is successfully finished and gets the good initial qulity. And its Tinv can be scaled down to 1.4 nm, and the gate leakage is reduced to 2x10-3 A/cm2 as well. And the transistor characteristics such as drain current (3.26x10-5 A/μm), transconductance(13 μA/V) and carrier mobility (200 cm2/V-sec) are in compliance with the academic standards, and S.S (Subthreshold Swing) is well about 66 mV/dec.
    In the second part, in order to continuously promote device characteristics, the aurthor
    uses different doping activation methods to make drain current, Gmmax and interfacial characteristics of device further improved. The experiment results show that the low-temperature-microwave-annealing device gets very low gate leakage current density of 6.7 x10-6 A/cm2 and Tinv can attain to 1.8 nm while the rapid-thermal-annealing-after-laser device can obtain the maximum drain current (8.9x10-5 A/μm), transconductance (24.9 μA/V), and carrier mobility (210 cm2/V-s). And the low-temperature-microwave-annealing device gets the better reliability compared to other annealing devices.
    In the third part, the author modulates the channel height, continues using rapid-thermal-annealing-after-laser method to activate the dopant, and anticipates getting the larger drain current and suppress threshold voltage roll-off at the same time by making use of rapid-thermal-annealing-after-laser method. The experiment results show that S.S of the 40nm-channel-height device is the lowest(71 mV/dec). And the threshold voltage of different channel-height devices can all controlled approaching approximately 0.75 V. The 60nm-channel-height device gets maximum drain current (1.3x10-5 A/μm), transconductance (21 μA/V) and carrier mobility (220 cm2/V-s), and the performance of reliability is excellent as well.

    摘要 I Abstract III 目錄 VI 表目錄 IX 圖目錄 X 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2使用High-k介電材料的原因 1 1.3高介電材料的選擇 2 1.4鰭式電晶體 3 1.5論文架構 3 第二章 元件製程與量測 11 2.1 氧化鉿為介電層應用在Gate First SOI n-FinFET製作流程 11 2.1.1 晶片刻號 11 2.1.2鰭式矽通道形成與閘極介電層沉積 11 2.1.3 金屬閘電極的形成 12 2.1.4 源極(Source)、汲極(Drain)、基極(Base)的形成 12 2.1.5 鈍化層沉積 12 2.1.6接出金屬導線、燒結 12 2.2 電性量測 13 2.2.1 金氧半電晶體的量測 13 第三章 氧化鉿作為高介電層於SOI n-FinFET電晶體製程建立及電性研究 20 3.1研究動機 20 3.2製程與量測 21 3.2.1製程條件 21 3.2.2量測參數 23 3.3實驗結果與討論 24 3.3.1鰭式電晶體等效電容之電特性分析 24 3.3.2氧化鉿作為高介電層在SOI n-FinFET之電特性分析 25 3.3.3氧化鉿作為高介電層在SOI n-FinFET電晶體元件之結構分析 28 3.4結論 29 第四章 不同熱活化對氧化鉿介電於絕緣層覆矽鰭式電晶體之電性研究 39 4.1研究動機 39 4.2製程與量測 41 4.2.1製程條件 41 4.2.2量測參數 42 4.3實驗結果與討論 43 4.3.1使用不同活化摻雜方式在以氧化鉿為閘極介電層之SOI n-FinFET之等效電容電特性分析 43 4.3.2使用不同活化摻雜方式在以氧化鉿為閘極介電層之SOI n-FinFET之電特性分析 44 4.3.3使用不同活化摻雜方式在以氧化鉿為閘極介電層之SOI n-FinFET之可靠度分析 47 4.4結論 48 第五章 不同通道高度於絕緣層覆矽鰭式電晶體之電性研究 68 5.1研究動機 68 5.2製程與量測 69 5.2.1製程條件 69 5.2.2量測參數 70 5.3實驗結果與討論 70 5.3.1不同通道高度SOI n-FinFET之等效電容電特性分析 71 5.3.2不同通道高度SOI n-FinFET之電特性分析 72 5.3.3 不同通道高度SOI n-FinFET之可靠度研究 74 5.3.4不同通道高度SOI n-FinFET之材料特性研究 74 5.4結論 75 第六章 結論與展望 92 6.1結論 92 6.2未來展望 93 參考文獻 94   表目錄 表 4-1 不同活化摻雜方式於SOI n-FinFET實驗列表 49 表 5-1 不同通道高度的SOI n-FinFET實驗列表 76   圖目錄 圖1-1 介電層微縮下產生的問題(Re:K. Saraswat at Standford) 5 圖1-2 各種介電材料其物理特性比較(Re: H.-S. P. Wang, IBM J. RES. & DEV) 5 圖1-3 三相圖(a)Ti-O-Si (b)Zr-O-Si 化合物 [8] 6 圖1-4 metal/high-k所產生的Fermi-level pinning 6 圖1-5 使用high-k材料造成散射最重要的議題-Remote phonon scattering [9] 7 圖1-6 Tied-gate FinFET元件與Independent-gate FinFET元件示意圖[16] 7 圖1-7 參考文獻中SOI n-FinFET各項基本電性 10 圖2-1 SOI FinFET元件製程截面流程圖 19 圖 2- 2 量測Cgc與Cgb的接法 19 圖 2- 3 在汲極施加大電場產生通道熱載子示意圖 19 圖3-1 (a)介電常數對能帶作圖[56] (b)Ti的矽化物[6] 31 圖 3-2 SOI FinFET元件製程截面流程圖 32 圖 3- 3電容製程示意圖 (a)定義閘極 (b)定義正負電極 33 圖 3- 5 (a)本章實驗電容漏電流密度-電壓量測曲線 (b)本章實驗Jg對CET作圖 34 圖3-6 (a)本章實驗電晶體汲極電流對閘極電壓量測曲線 (b)本章實驗轉導值對閘極電壓作圖 35 圖3-7 本章實驗電晶體之汲極電流對汲極電壓量測曲線 36 圖3-8本章實驗Ion對Ioff作圖 36 圖3-9本章實驗載子遷移率特性圖 37 圖3-10 (a)本章實驗經F-N Stress後之臨界電壓飄移圖 37 圖 3-11 (a)本章實驗利用穿透式電子顯微鏡分析SOI FinFET之通道結構 (b)通道橫截面示意圖 38 圖 4-1 SOI FinFET元件製程截面流程圖 50 圖 4-2不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)(d)Laser + RTA 之SOI FinFET C-V量測與模擬曲線 52 圖 4-3不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET漏電流密度與電壓量測曲線(d)疊合比較圖 54 圖 4-4不同活化摻雜方式之SOI FinFET 漏電流密度對Tinv作圖 55 圖 4-5 不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET轉導值與閘極電壓作圖 (d)疊合比較圖 57 圖 4-6 不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET汲極電流對閘極電壓關係圖(d)疊合比較圖 59 圖 4-7不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET汲極電流對汲極電壓關係圖(d)疊合比較圖 61 圖 4-8不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET載子遷移率特性圖(d)疊合比較圖 63 圖 4-9不同活化摻雜方式之SOI FinFET載子遷移率對Tinv作圖 63 圖 4-10不同活化摻雜方式(a)RTA (b)Microwave (c)Laser + RTA 之SOI FinFET經F-N stress臨界電壓飄移圖(d)疊合比較圖 65 圖 4-11 不同活化摻雜方式之SOI FinFET經F-N stress之Gmmax退化圖 66 圖 5-1 SOI FinFET元件製程截面流程圖 77 圖 5-2不同通道高度 (a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET C-V量測與模擬曲線(d)疊合比較圖 79 圖 5-3不同通道高度 (a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET之漏電流密度與電壓量測曲線(d)疊合比較圖 81 圖 5-4不同通道高度(a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm對於SOI FinFET之汲極電流與閘極電壓關係圖 83 圖 5-5不同通道高度 (a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET之汲極電流對汲極電壓關係圖(d)疊合比較圖 85 圖 5-6不同通道高度(a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET載子遷移率特性圖(d)疊合比較圖 87 圖 5-7不同通道高度(a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET經F-N stress臨界電壓飄移圖(d)疊合比較圖 89 圖 5-8不同通道高度之SOI FinFET經F-N stress之Gmmax退化圖 89 圖 5-9不同通道高度(a)40 nm (b)50 nm (c)60 nm 之SOI FinFET利用穿透式電子顯微鏡分析之通道結構圖 90

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