高k介质纳米MOSFET栅电流和电容模型
MOS器件高K栅介质薄膜材料研究

6.3 电学应力下缺陷的产生
• Brugler和JesperL 于1969 年首次发现了MOSFET的电荷泵(CP)电流现 象,即当脉冲加在MOSFET栅上时,衬底就可以接收到一股与源漏pn结 反向漏电流方向相反的直流电流。 • 随着高k电介质作为栅介质薄层材料受到越来越多的重视,CP技术成为 研究栅叠层结构的常用方法。CP技术可以表征器件界面态密度和氧化层 电荷,同时还可以测量界面态和氧化层电荷的空间分布、界面态的能量 分布等。 • 频率变化的电荷泵(frequency dependent CP,FDCP)被越来越多地用于 研究高k栅介质层在应力下的缺陷生成机制。虽然这不是新技术,但 FDCP技术在栅介质层探测到的缺陷深度已成为争论焦点。对于支持深 穿透(deep.penetration,DP)的,FDCP提供证据表明在电学应力下, 缺陷确实会在高k层内部产生;对于支持浅穿透(shallow.penetration, SP)的,FDCP却明确地显示了相反的结果。
7.主要问题及可能的解决方案
• 即使是最有前景的高后材料如HfO2,因过渡金属氧化物的基本特性,作 为栅介质薄层材料性能仍不理想,会引发很多问题,主要包括热不稳定 性、与si之间差的界面特性、形成界面硅酸盐层、高界面陷阱密度和氧 化物陷阱密度、大泄漏电流、低迁移率等。 • 这些不可靠因素是由高k材料自身基本特性引起的,很难克服。元素材料 的化学和电学特性最外层电子状态决定。对于过渡金属来说,就是(n)d 态和(n+1)s态的价电子。这些电子被束缚得不紧,就很容易转移到氧的 3s或3p的空轨道上,这样过渡金属就氧化了,高配位数的离子性的金属 一氧键合就形成了。过渡金属-氧键合的较高离子性会使导带降低(相对 si)。因此,这些材料会有大量的氧空缺、容易结晶、较大的泄漏电流、 高的氧化物陷阱密度。 • 过渡金属元素可以在低能量下和体硅原子反应,产生硅酸盐和硅化物键 合。界面金属性的硅化物键合,产生界面陷阱,也降低了导带带阶差。 由于界面硅酸盐有一个较低的k值,会增大总的EOT。离子性或是极化 的金属一氧键合是过渡金属氧化物拥有较高k值的原因,但是这会激发软 光声子,导致漏电流增大以及沟道迁移率降低。以上提到的所有特征之 间的关系如图所示。
纳米高k栅CMOS器件的总剂量效应及加固技术研究

摘要摘要随着空间技术、核科学和微纳电子技术的不断发展, 越来越多的电子器件被广泛应用于航空、航天及战略武器系统中,遭受着恶劣辐射环境的严重考验。
辐射环境中的高能粒子和射线射入半导体器件的氧化区,造成电离损伤,产生氧化层陷阱电荷,从而诱发总剂量(Total Ionizing Dose,TID)效应。
新工艺技术的出现,如绝缘体上硅(SOI)和高k介质层,使得TID成为引起微电子器件性能退化甚至功能失效最主要的辐射效应。
本文以高k栅全耗尽SOI(Fully Depleted SOI,FD-SOI)MOSFET和环栅纳米线晶体管(Gate All-Around Nanowire Transistor,GAA-NWT)研究对象,对其总剂量效应以及相应的加固技术进行了深入系统的研究,主要工作及研究结果如下。
一、提出了一种线性能量转移(Linear Energy Transfer,LET)的高斯—对数模型,推导了辐射场中材料吸收剂量的计算表达式,并基于此对高k材料的辐射敏感性进行了分析。
基于对大量LET试验数据的分析,通过对对数变换后的LET数据进行高斯函数拟合,得出了计算任意粒子在硅中LET的简化表达式,并在此基础上计算了粒子在硅中射程及Bragg峰值,其计算结果与实验数据吻合较好。
提出一种利用LET表达式计算任意初始能量下粒子在硅中Bragg曲线的简化方法,通过使用粒子剩余能量建立起粒子入射深度与LET之间的数学关系,不仅极大地减少了计算耗时,而且与TRIM计算结果吻合度较高。
推导了单向平行辐射场和一般辐射场中材料吸收剂量的计算表达式,建立起粒子通量与吸收剂量之间的数学关系,并在此基础上,计算了HfO2与SiO2在相同辐射环境中的吸收剂量之比,定量分析了HfO2对总剂量辐射的敏感性。
二、对浮体FD-SOI器件的总剂量(Total Ionizing Dose,TID)效应进行了TCAD 仿真,并详细分析了浮体FD-SOI器件TID效应的影响因素。
碳纳米管高k材料在MOSFET中应用

背景
金属栅
• 极低栅极薄层电阻 • 与高K兼容 • 根本上消除栅耗尽和B穿透效应 • 栅功函数易调节适应CNTMOSFET要求
• 单金属方法 • 双金属方法 • 金属互联法 • 其他方法
工艺
单金属方法
工艺
Fig.1 Damascene gate transistor fabrication process.
• 有源器件晶体管和互连可以分别采用半导体性和金属性碳纳米 管来制作。
解决方案——碳纳米管FET
基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用
CNT-FET是一个三端器件,其中CNT连接源漏,形 成电荷通道,通道开关由栅极控制。
当一个电场加在碳纳米FET器件两端时,一个自 由电荷就从碳纳米管的源端到漏端产生。
Hale Waihona Puke • 因此这样结构的场效应管的输下图是采用Pt作为源漏电极构建的碳管场效应管的电流输出特性 曲线和转移特性曲线, 场效应管在负的门电压下开启, 随着门电压的 减小, 源漏电流相应的增大, 呈现出典型的p型输运特性。
• Al的功函数是4.2 eV ,小于碳纳 米管的功函数,这时源电极费 米能级的位置将接近碳纳米管 的导带能级。这种能带结构对 电子的势垒很低,有利于电子 从电极注入到碳纳米管中。
工艺
Fig.2 Metal interdiffusion fabrication process
金属栅电特性
Fig. 2 I –V characteristics of 52 MOSFET’s with W/TiN gate and SiO gate insulator on an 8-in wafer (T = 4:8 nm).
纳米级围栅mosfet模型研究

纳米级围栅mosfet模型研究一、引言纳米级围栅MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是现代集成电路中最常用的晶体管类型之一,由于其具有高速、低功耗、小尺寸等优点,已经成为了现代半导体工业的核心技术之一。
在这个领域里,纳米级围栅MOSFET模型研究就显得尤为重要。
二、背景在纳米级围栅MOSFET中,电子运动受到了量子效应的影响,因此需要采用量子力学理论进行建模和分析。
同时,由于传统的经典物理学理论已经不能很好地描述这些器件的特性,因此需要开发新的模型来描述和预测器件行为。
三、研究方法1. 基于材料学和物理学原理建立数学模型;2. 利用计算机仿真软件对模型进行验证和优化;3. 利用实验数据对模型进行验证。
四、研究内容1. 器件结构:包括晶体管的材料选择、形状设计等;2. 电子能带结构:通过计算得出材料中电子能带结构及其对器件性能的影响;3. 电子输运:研究电子在材料中的输运过程,包括漂移、扩散等;4. 量子效应:研究量子效应对器件性能的影响,包括隧穿效应、谷隧穿效应等;5. 热效应:研究热效应对器件性能的影响,包括温度变化、热噪声等。
五、研究进展1. 器件结构方面,已经有了一些新型材料和形状设计的实验成果,如二维材料和纳米线等;2. 电子能带结构方面,已经有了一些基于第一性原理计算得出的结果,并且已经被验证为可靠;3. 电子输运方面,已经有了一些模型和仿真软件,并且已经被广泛使用;4. 量子效应方面,已经有了一些定量分析方法,并且已经被用于实际器件设计中;5. 热效应方面,已经有了一些新型材料和结构设计,并且取得了不错的实验成果。
六、未来展望纳米级围栅MOSFET模型研究还有很大的发展空间和挑战。
未来的研究方向包括:1. 更精确的电子能带结构计算方法;2. 更准确的量子效应模型;3. 更完善的热效应分析方法;4. 更高性能的实验技术。
高k材料(精品文档)

高k栅介质材料研究黄玲10092120107 摘要在传统的MOSFET中,栅介质材料大部分采用二氧化硅,因为SiO2具有良好的绝缘性能及稳定的二氧化硅—硅衬底界面。
然而对于纳米线宽的集成电路,需要高介电常数(高k)的栅极介质材料代替二氧化硅以保持优良的漏电性能。
这些栅极候选材料必须有较高的介电常数,合适的禁带宽度,与硅衬底间有良好界面和高热稳定性。
此外,其制备加工技术最好能与现行的硅集成电路工艺相兼容。
关键字:高介电常数;MOSFET;1.引言过去的几十年中,SiO2容易在硅表面氧化生长,工艺简,单热稳定性好,作为栅介质材料,是一种非常重要的绝缘材料。
但随着集成电路规模的不断增大,需要减小器件的特征尺寸。
对于给定的电压,增加电容量有两种途径:一种是减小栅绝缘层的厚度,一种是增加绝缘层的介电常数。
对于SiO2来说,由于其介电常数较小,只有3. 9 ,当超大规模集成电路的特征尺寸小于0. 1μm时,SiO2绝缘层的厚度必须小于2nm ,这时,无法控制漏电流密度。
而且,当SiO2薄膜的厚度小于7nm 时,很难控制这么薄SiO2薄膜的针孔密度。
另外SiO2难以扩散一些电极掺杂物,比如硼。
薄氧化层带来的另一个问题是,因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在,使等效电容减小,导致跨导下降。
因此,有必要研究一种高介质材料(又叫高- k 材料)来代替传统的SiO2。
2.1传统晶体管结构的瓶颈及转变方向进入21 世纪以来集成电路线宽进一步缩小,SiO2栅介质层厚度成为首个进入原子尺度的关键参数,由公式C=ε *ε0* A/Tox,为了保证CMOS 晶体管的功能特性,增大C,最直接的做法是降低二氧化硅的厚度Tox,然而当Tox很小时会产生以下问题:(1)漏电流增加,使MOSFET功耗增加。
(2)杂质扩散更容易通过SiO2栅介质薄膜,从栅极扩散到衬底,影响MOSFET参数,如阈值电压(3)因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在,使等效电容减小,导致跨导下降。
纳米级MOSFET亚阈值区电流特性模型

真 结 果 与 实验 结 果 进 行 了 比较 , 验 证 了模 型 准 确 性 。
关 键 词 :纳 米 级 金 属 氧 化 物 场 效 应 晶 体 管 ; 亚 阈值 区 ; 漏极 电流 ; 栅 极 电流 ; 频 率 依 赖 性
中 图 分 类 号 :T N 3 8 6 . 1 文 献 标 识 码 :A D OI : 1 0. 1 6 1 5 7 / i . i s s n . 0 2 5 8 — 7 9 9 8 . 2 0 1 6 . 1 2 . 0 0 4
A p p l i c a t i o n o f E l e c t r o n i c T e c h n i q u e , 2 0 1 6, 4 2 ( 1 2 ) : 1 9 — 2 2 , 2 6 .
A mo d e l o f s u b t h r e s h o l d c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e n a n o s c a l e MOS F E T
中 文 引 用 格 式 :王 丹 丹 , 王军 , 王 林 .纳 米 级 MO S F E T亚 阈 值 区 电 流 特 性 模 型 [ J ] . 电 子技 术 应 用 , 2 0 1 6, 4 2 ( 1 2 ) : 1 9 — 2 2, 2 6 . 英 文 引 用 格 式 :Wa n g D a n d a n , Wa n g J u n , Wa n g L i n . A mo d e l o f s u b t h r e s h o l d c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e n a n o s c a l e M O S F E T [ J ] .
高K介质技巧介绍[精彩]
高K介质技巧介绍[精彩]高k介质技术1概述:从第一块晶体管诞生到现在,微电子经过了长达60多年的发展,发展速度惊人。
在材料方面,第一代半导体技术以Si、Ge材料为代表的,紧接着开发出了化合物半导体,以砷化镓为代表。
近年来又开发出了宽禁带半导体材料,如SiC、ZnSe等,称其为第三代半导体技术。
在工艺方面,超细微加工技术日益完善,使生产达到了亚微米以上的更高的光刻技术。
高质量的超薄氧化层、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属及其硅化物和浅欧姆接触、晶体完整性的大直径芯片、低温加工等一系列技术的发展,极大地提高了芯片的集成度。
在今后的发展总,微电子技术主要有三个主要发展方向:1.继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸;2.集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC);3.微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科。
在增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸这个技术下,会遇到如下挑战 :(1)继续增大晶圆尺寸技术(2)Sub-100nm光刻技术(3)互连线技术(4)新器件结构与新材料。
在寻求新材料方面,主要有以下几个问题:SOI材料、应变硅、高K介质、金属栅电极。
本文将就高K介质问题展开讨论,并最终得到自己的结论。
2高K介质遇到的问题随着集成电路集成度的不断提高,MOS 器件的特征尺寸进入到纳米领域时,随着器件特征尺寸的不断缩小器件性能逐渐趋近与物理极限。
因此,必须采用新的方法和新的技术提高器件的综合性能。
为了获得良好的器件性能,栅氧化层厚度也要相应的缩小。
对于纳米尺度的 MOS 器件,其栅氧化层厚度必须低于 3 nm,如此薄的氧化层会导致直接遂穿等一系列问题。
所以,选取高 k 材料代替传统的 SiO2 层,可以提高栅氧化层的物理厚度,大大减小直接遂穿电流。
高 k 材料因其大的介电常数,可实现在SiO2具有相同EOT的情况下,其实际厚度比SiO2大得多,从而解决了SiO2因接近厚度极限而产生的很多问题,成为代替SiO2的热门材料。
高k材料
高k栅介质材料研究黄玲10092120107 摘要在传统的MOSFET中,栅介质材料大部分采用二氧化硅,因为SiO2具有良好的绝缘性能及稳定的二氧化硅—硅衬底界面。
然而对于纳米线宽的集成电路,需要高介电常数(高k)的栅极介质材料代替二氧化硅以保持优良的漏电性能。
这些栅极候选材料必须有较高的介电常数,合适的禁带宽度,与硅衬底间有良好界面和高热稳定性。
此外,其制备加工技术最好能与现行的硅集成电路工艺相兼容。
关键字:高介电常数;MOSFET;1.引言过去的几十年中,SiO2容易在硅表面氧化生长,工艺简,单热稳定性好,作为栅介质材料,是一种非常重要的绝缘材料。
但随着集成电路规模的不断增大,需要减小器件的特征尺寸。
对于给定的电压,增加电容量有两种途径:一种是减小栅绝缘层的厚度,一种是增加绝缘层的介电常数。
对于SiO2来说,由于其介电常数较小,只有3. 9 ,当超大规模集成电路的特征尺寸小于0. 1μm时,SiO2绝缘层的厚度必须小于2nm ,这时,无法控制漏电流密度。
而且,当SiO2薄膜的厚度小于7nm 时,很难控制这么薄SiO2薄膜的针孔密度。
另外SiO2难以扩散一些电极掺杂物,比如硼。
薄氧化层带来的另一个问题是,因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在,使等效电容减小,导致跨导下降。
因此,有必要研究一种高介质材料(又叫高- k 材料)来代替传统的SiO2。
2.1传统晶体管结构的瓶颈及转变方向进入21 世纪以来集成电路线宽进一步缩小,SiO2栅介质层厚度成为首个进入原子尺度的关键参数,由公式C=ε *ε0* A/Tox,为了保证CMOS 晶体管的功能特性,增大C,最直接的做法是降低二氧化硅的厚度Tox,然而当Tox很小时会产生以下问题:(1)漏电流增加,使MOSFET功耗增加。
(2)杂质扩散更容易通过SiO2栅介质薄膜,从栅极扩散到衬底,影响MOSFET参数,如阈值电压(3)因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在,使等效电容减小,导致跨导下降。
基于氧化铪的高k栅介质纳米MOSFET栅电流模型
EEACC:2 7 A 5O
持 足够 的物 理厚 度 来 限制 隧穿 效应 的影 响 。在 高 k
言
随着 MOS器件 尺寸缩 小到 0 1 m 的特征 尺 度 .
b s d dee ti i sf rn n s aeM OS a e ilcrcf m o a o c l l FET.Th r s n p r a hi a a l fmo ei gh g — ep e e ta p o c sc p b eo d l ih n k sa k s r c u e o ssigo l p ely r f i e e tdee tis tc tu t r sc n itn fmu t l a e so f r n ilc rc .Ef cso ir g n c n e t i d f f t fnto e o t n e a d o h ree e t o tn so h a et n eig c re th v e n su id t e r t al .Ou e n t e lm n n e t n t eg t u n l u r n a eb e t de h o e i l c n c y rr —
(Colg f t—lcr ncEn iern le eo Op oeeto i g n eig。Na n i est f Pot n lcmmu iain .Na jn g Unv ri o ssa d Teeo y nc t s o nig,2 0 0 1 0 3,CHN)
王 伟h 孙建平。 宁 顾
高K介质技术介绍1
高k介质技术1概述:从第一块晶体管诞生到现在,微电子经过了长达60多年的发展,发展速度惊人。
在材料方面,第一代半导体技术以Si、Ge材料为代表的,紧接着开发出了化合物半导体,以砷化镓为代表。
近年来又开发出了宽禁带半导体材料,如SiC、ZnSe等,称其为第三代半导体技术。
在工艺方面,超细微加工技术日益完善,使生产达到了亚微米以上的更高的光刻技术。
高质量的超薄氧化层、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属及其硅化物和浅欧姆接触、晶体完整性的大直径芯片、低温加工等一系列技术的发展,极大地提高了芯片的集成度。
在今后的发展总,微电子技术主要有三个主要发展方向:1.继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸;2.集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC);3.微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科。
在增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸这个技术下,会遇到如下挑战:(1)继续增大晶圆尺寸技术(2)Sub-100nm光刻技术(3)互连线技术(4)新器件结构与新材料。
在寻求新材料方面,主要有以下几个问题:SOI材料、应变硅、高K 介质、金属栅电极。
本文将就高K介质问题展开讨论,并最终得到自己的结论。
2高K介质遇到的问题随着集成电路集成度的不断提高,MOS 器件的特征尺寸进入到纳米领域时,随着器件特征尺寸的不断缩小器件性能逐渐趋近与物理极限。
因此,必须采用新的方法和新的技术提高器件的综合性能。
为了获得良好的器件性能,栅氧化层厚度也要相应的缩小。
对于纳米尺度的MOS 器件,其栅氧化层厚度必须低于3 nm,如此薄的氧化层会导致直接遂穿等一系列问题。
所以,选取高k 材料代替传统的SiO2 层,可以提高栅氧化层的物理厚度,大大减小直接遂穿电流。
高k 材料因其大的介电常数,可实现在SiO2具有相同EOT的情况下,其实际厚度比SiO2大得多,从而解决了SiO2因接近厚度极限而产生的很多问题,成为代替SiO2的热门材料。
但大多数高k材料是离子金属氧化物,这一基本材料特性导致高k材料作为栅介质薄层时会引发很多不可靠问题。
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I.ea e eraEg e n a murcn , h Uiry f iin An rr M, S l Dp t noE cil nn rgn C pt ic Te nei cg 。 n b , IUA 2 r t lt i e d o eSe e பைடு நூலகம்s oM h a m f c i t Ao
维普资讯
第2卷 第6 6 期 20 06年 1 2月
南 京 邮 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Jun f aj gU i r t o ot adT l o m nct n( a rl c ne ora o ni nv syf P s n e cm u i i s N t a S i c ) l N n e i s e ao u e
wi g k S c s t Hih- t k h a
W ANG e , UN Ja - ig , W i S in pn GU n Nig
厂1C l g f pol t n nier g N igU ie i f ota dT l o u i tn , . oeeo te r i E gnei , 蛆j n r t o s n e cmm nc i s N蚰j g 10 3 hn l O c e oe n n v sy P s e ao i 00 ,C ia n2
I. 密西根大学 电 美国 2 气工程和计 算机科学系。 美国密西根 州安娜堡
l
I. 东南大学 分子与生物 3 分子电子学 教育部重点实验室, 苏南京 2 06 江 1 9 0
摘 要: 介绍 了一种纳米 MO F T 场效应 管) 电流和 电容的统一模型 , SE ( 栅 该模 型基 于 Shgi e-o sn c r n rPi o dg s 方程 自洽全量子数值 解 , 特别适 用于高 k栅介 质和 多层 高 k栅介质 纳米 MO F T S E 。运 用该 方法计 算 了各种结构和材料 高 k 介质 的 M S E O F T栅 极电流,并进行 了分析比较。模拟得 出栅极 电流和 电
质层的物理厚度降低栅泄漏电流。目前, 国内外有关 高k 栅介质材料的研究已有很多报道- J 1 。
K yw r sHi — ; a u etQ a t ・eh i l o e e od : g k G t c r n ; u u m c a c dl h e n m- n am
1 引 言
随着微电子技术的迅猛发展 , O ( e ・x e M SM t Oi - l a d Smcnut ) e i dc r器件的尺寸进一步按 比例缩小。S : o o i O 栅氧化层厚度也相应地减薄。这时电子的隧穿电流
,
Ab ta t A u ie p ra h, at ual utbefre au t no ihk sa ksrcue o s t go l- sr c : nf d a po c p r c lr s i l v lai f g — tc t trsc n i i fmut i i y a o o h u sn i
Vo . 6 No 6 I2 .
De . 2 0 c O6
文 章 编 号 :6 35 3 ( 06 0 - 0 -5 17 - 9 20 )60 60 4 0
高 k介 质 纳 米 MO F T栅 电流 和 电容模 型 SE
王 伟 , 孙建平 顾 宁 ,
,. 1 南京邮电大学 光电工程学院。 江苏 南京 200 103 、
3 N tnl . o o lcl dBo oeua l tnc , otes U ie i ,N ig 10 6, hn . ai a I bmtyo Mo ua a im l l Ee r is S uhat nvrt o a rf e rn c r co sy 蛆j 09 C ia n2
容与实验结果符合。 关键词 : k 栅 电流 ; 高 ; 量子模型
中围分类号 :N36 T 8
文献标识码 : A
M o e n fGa e Cu r n n p ct n e f r Na o c l OS ET d f g o t r e ta d Ca a i c o n s a e M i a F s
pe ly r o iee tdeetisi p ee td hsa po c sb sd o ul efc n i e t ouin eS h6 i aes fdf rn ilcrc rsne .T i p ra h i ae n fl s l o ss n lt st t c r s y - t s o oh cn e- oso q ain .Vaiu t cue n tr l o ih k sak neeth v e n ea n n l gr i ne ut s i - s P o r ssr trsa d maei s fhg - tc so itrs a e b e x mie a d o u a f d c mp rd t c esterd c o aec re t ntees u trs h eut o aec re ta d c p ct c b o ae o a cs e u t no g t urn s t cue .T ers l g t u n n a a i eo — h i f ih r sf n a tie rm u d l r eyg o ge me t t x e me tld t. an d f o o rmo e ei v r o d a re n h e p r na aa a n wi i