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隧穿场效应晶体管和InGaAs场效应晶体管的可靠性研究

焦广泛  
【摘要】:随着MOSFET尺寸的不断缩小,器件的功耗问题和可靠性问题成为制约集成电路发展的重要因素。为了降低集成电路的功耗,隧穿场效应晶体管(TFET)和InGaAs MOSFET成为了国际上的研究重点。与传统Si MOSFET比较,TFET的室温亚阈值摆幅可以突破60mV/decade的限制,InGaAs材料的电子迁移率大约比Si材料的电子迁移率高一个数量级。虽然国际上对TFET和InGaAs MOSFET已经做过很多研究工作,但是对上述器件的可靠性,国际上仍然缺乏了解。 本论文针对n型TFET和InGaAs MOSFET的正偏压温度不稳定性(Positive Bias Temperature Instability或PBTI)和热载流子注入(Hot Carrier Injection或者HCI)展开研究,具体内容包括:(1)通过与传统nMOSFET的PBTI和HCI的比较,分析TFET在应力下退化的机理。(2)根据InGaAs nMOSFET的PBTI退化特性,提出一种陷阱模型,分析关态电流的退化原因。 本论文工作的主要结果有:(1)对nTFET来说,在PBTI和HCI应力下,器件的退化比传统nMOSFET严重。应力在隧穿结附近产生的界面陷阱和氧化层电荷能使隧穿电场减小,导致Id的退化。(2)如果nTFET的p+源区与栅电极有交叠,那么在应力电压作用下,会在隧穿结附件出现一个垂直界面的电场峰,从而在隧穿结附近产生更多的界面陷阱和氧化层电荷,使Id的退化加重。(3)nTFET的HCI退化主要发生在源区附近。(4)对InGaAs nMOSFET来说,在PBTI应力下,在IsVg特性的亚阈值区,对于相同的Is,△Vg是负值。但是在强反型区,△Vg是正值。在恢复阶段,在IsVg特性的亚阈值区,△Vg会由负变正;在强反型区,△Vg会继续增大,最后达到一个稳定的值。(5)PBTI应力会在InGaAs nMOSFET中靠近Al2O3/InGaAs界面的氧化层中产生陷阱。它由可恢复的施主型陷阱和不可恢复的受主型陷阱组成。施主型陷阱主要分布于InGaAs禁带中央附近,它的密度会随能量的升高而减小。受主陷阱主要分布于InGaAs的导带中,它的密度随着能量的降低而减小。(6)In0.65Ga0.35As nMOSFET的关态电流退化比In0.53Ga0.47As nMOSFET严重。 本论文的工作和结果对TFET和InGaAs MOSFET的研究和开发具有重要的指导意义。


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