研究背景

在先进集成电路器件中,器件尺寸的缩小幅度大于工作电压和偏置应力电压的减小幅度,从而造成高电场;除此之外,晶体管的通道长度与载流子的平均自由程相当或更短,载流子因散射耗散的能量随之大减。综上因素因素会导致载流子的大幅加速,进而导致显著的热载流子退化*(Hot-carrier degradation,以下简称 HCD)。在纳米线(Nanowire)晶体管器件和 FinFET 等 10nm 和亚 10nm 尺寸的集成电路器件中,HCD 效应因自热效应(Self-Heating Effect)而进一步加剧,被认为是最为损害器件可靠性的问题。

 

而与HCD 密切相关的偏置温度不稳定性(Bias Temperature Instability,以下简称 BTI)现象,在晶体管中相比 HCD 破坏性要小。在近年的研究中,控制和缓解 BTI 的技术手段被提出并得到了验证,这些工作大多基于两点,一是通过调整功函数将缺陷带转移到载流子无法达到的能量区域,二是在SiO 层和high-k层之间引入偶极子。然而,到目前为止,尚无能有效减缓 HCD 效应的手段,更好地了解导致 HCD 的物理机制将有助于探索减缓 HCD 效应的手段。

 

自热增强了HCD 效应,一个精确的HCD 预测模型应该考虑自热效应的影响,但目前模拟自热对HCD 影响的模型都基于实验经验和孤立猜想和假设,存在片面性。为加深对 HCD 诱发机制的理解,建立更接近电路实际工作条件的研究模型,IMEC与鲁汶大学(KU Leuven)和维也纳工业大学(TU Wien)联合实验团队提出并验证了新的物理模型。相关成果以“Physical Modeling the Impact of Self-Heating on Hot-Carrier Degradation in pNWFETs”为题发表于 2020 年举办的第 27 届 IEEE 国际集成电路物理与失效分析会议(IPFA, International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits),来自 IMEC 及两所欧洲名校的 Stanislav Tyaginov, Alexander Makarov 等 10 名研究成员为本文共同作者,项目受到“欧盟地平线 2020”科研规划下的“玛丽居里学者”项目资助。

 

*热载流子退化:Hot-carrier degradation,也称热载流子降解,指器件内部的部分载流子受外部影响成为高能热载流子。这些热载流子会打断 Si-H 键从而产生界面态,最终导致载流子平均自由时间减少,降低电子迁移率,从而使器件的源漏电流减小。器件关键电学特性的退化随着工作时间的增长而越来越明显,当退化量大于一定程度时便会引起器件乃至整个芯片的失效,带来严重的可靠性问题。

 

pNWFETs:p 型纳米线(nanowire)场效应晶体管,GAA 环栅晶体管器件结构的一种。

 

研究内容

研究团队提出并验证了一个基于物理学基本原理的自热与热载流子退化(HCD)的建模框架。研究表明,自热对 HCD 的影响因素是多方面叠加的:一是分布式温度下载流子输运特性,二是温度对化学键振动寿命的依赖关系,三是键解离的热贡献。为了求解自热效应引起的晶格温度变化,团队综合求解了漂移 - 扩散方程和热流两公式;而温度的非均匀分布对载流子输运的影响表明了使载流子能量分布函数趋向高能量区。本研究团队所扩展得到的框架能够精确再现实验环境下 pNWFETs 的热载流子退化过程,同时也发现,如果忽视自热效应的影响,那么模型计算所得的 HCD 效应的严重程度将会大大低于实际观测值。

 

本研究使用的 p 型环栅纳米线晶体管的横截面 TEM 形貌像

 

 

滑动查看三种偏置应力电压条件下饱和漏电流变化曲线

 

 

HCD 效应模型的示意图

 

 

Si-H 键断裂的示意图

 

 

滑动查看MINIMOS-NT*模拟计算所得两种应力电压组合下晶格温度分布

 

*Minimos-NT,是一款通用型半导体器件模拟软件,可提供任意二维和三维器件几何形状的稳态、瞬态和小信号分析。该软件由维也纳工业大学微电子研究所自主研发,用于集成电路器件的物理特性研究。

 

前景展望

IMEC 与知名高校 KU Leuven 和 TU Wien 通过建立创新物理模型,深入研究纳米线晶体管的自热效应与热载流子退化物理机制间的联系,Nanowire 晶体管即将进入量产阶段,预计该成果将会对于未来纳米线晶体管的良率与器件可靠性提升有重要意义,基于该成果的拓展性研发也将会惠及未来 Nanosheet 和 Forksheet 器件的工艺研发。

 

团队介绍

团队带头人Stanislav Tyaginov博士出生于俄罗斯圣彼得堡,于2006 年获物理学博士学位,IIRW 和 IRPS 的技术计划委员会成员。他曾主导建设TU Wien 微电子研究所的 HCD模型开发小组,在科学期刊和会议论文集上发表论文100 余篇。目前 Tyaginov博士的研究领域包括:晶体管物理模型仿真、基于Si 和碳化硅晶体管中的HCD效应研究、BTI和经时击穿的建模以及MOS 器件中的隧穿现象。

 

IMEC,全称:Interuniversity Microelectronics Centre,即比利时微电子研究中心,是一家成立于 1984 年的科技研发中心, 总部设在比利时鲁汶。IMEC 的战略定位为纳米电子和数字技术领域全球领先的前瞻性重大创新中心,IMEC 从 2004 年起参与了从 45nm 到 7nm 的芯片前沿技术的研发。


维也纳工业大学(TU Wien),前身是维也纳帝国皇家理工学院,是一所作为奥匈帝国皇家学院的科技学院建立起来的综合性大学,是德语国家中的第一所科技型学府大学。在教学领域和研究领域都得到国际和国内的认可,是欧洲顶尖学府之一。 

 

鲁汶大学(KU Leuven),是比利时最高学府、世界百强名校、欧洲十大名校之一,集成电路相关学科在欧洲名列前茅,与同在比利时的IMEC 在集成电路技术研发方面有着深入、全面的合作。

 

论文原文链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/9260648