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研究背景
在先進(jìn)集成電路器件中，器件尺寸的縮小幅度大于工作電壓和偏置應(yīng)力電壓的減小幅度，從而造成高電場(chǎng)；除此之外，晶體管的通道長(zhǎng)度與載流子的平均自由程相當(dāng)或更短，載流子因散射耗散的能量隨之大減。綜上因素因素會(huì)導(dǎo)致載流子的大幅加速，進(jìn)而導(dǎo)致顯著的熱載流子退化*（Hot-carrier degradation，以下簡(jiǎn)稱 HCD）。在納米線（Nanowire）晶體管器件和 FinFET 等 10nm 和亞 10nm 尺寸的集成電路器件中，HCD 效應(yīng)因自熱效應(yīng)（Self-Heating Effect）而進(jìn)一步加劇，被認(rèn)為是最為損害器件可靠性的問(wèn)題。
而與HCD 密切相關(guān)的偏置溫度不穩(wěn)定性（Bias Temperature Instability，以下簡(jiǎn)稱 BTI）現(xiàn)象，在晶體管中相比 HCD 破壞性要小。在近年的研究中，控制和緩解 BTI 的技術(shù)手段被提出并得到了驗(yàn)證，這些工作大多基于兩點(diǎn)，一是通過(guò)調(diào)整功函數(shù)將缺陷帶轉(zhuǎn)移到載流子無(wú)法達(dá)到的能量區(qū)域，二是在SiO 層和high-k層之間引入偶極子。然而，到目前為止，尚無(wú)能有效減緩 HCD 效應(yīng)的手段，更好地了解導(dǎo)致 HCD 的物理機(jī)制將有助于探索減緩 HCD 效應(yīng)的手段。
自熱增強(qiáng)了HCD 效應(yīng)，一個(gè)精確的HCD 預(yù)測(cè)模型應(yīng)該考慮自熱效應(yīng)的影響，但目前模擬自熱對(duì)HCD 影響的模型都基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和孤立猜想和假設(shè)，存在片面性。為加深對(duì) HCD 誘發(fā)機(jī)制的理解，建立更接近電路實(shí)際工作條件的研究模型，IMEC與魯汶大學(xué)（KU Leuven）和維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了新的物理模型。相關(guān)成果以“Physical Modeling the Impact of Self-Heating on Hot-Carrier Degradation in pNWFETs”為題發(fā)表于 2020 年舉辦的第 27 屆 IEEE 國(guó)際集成電路物理與失效分析會(huì)議（IPFA, International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits），來(lái)自 IMEC 及兩所歐洲名校的 Stanislav Tyaginov, Alexander Makarov 等 10 名研究成員為本文共同作者，項(xiàng)目受到“歐盟地平線 2020”科研規(guī)劃下的“瑪麗居里學(xué)者”項(xiàng)目資助。
*熱載流子退化：Hot-carrier degradation，也稱熱載流子降解，指器件內(nèi)部的部分載流子受外部影響成為高能熱載流子。這些熱載流子會(huì)打斷 Si-H 鍵從而產(chǎn)生界面態(tài)，最終導(dǎo)致載流子平均自由時(shí)間減少，降低電子遷移率，從而使器件的源漏電流減小。器件關(guān)鍵電學(xué)特性的退化隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)而越來(lái)越明顯，當(dāng)退化量大于一定程度時(shí)便會(huì)引起器件乃至整個(gè)芯片的失效，帶來(lái)嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。
pNWFETs：p 型納米線（nanowire）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，GAA 環(huán)柵晶體管器件結(jié)構(gòu)的一種。
研究?jī)?nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一個(gè)基于物理學(xué)基本原理的自熱與熱載流子退化（HCD）的建?？蚣堋Ｑ芯勘砻?，自熱對(duì) HCD 的影響因素是多方面疊加的：一是分布式溫度下載流子輸運(yùn)特性，二是溫度對(duì)化學(xué)鍵振動(dòng)壽命的依賴關(guān)系，三是鍵解離的熱貢獻(xiàn)。為了求解自熱效應(yīng)引起的晶格溫度變化，團(tuán)隊(duì)綜合求解了漂移 - 擴(kuò)散方程和熱流兩公式；而溫度的非均勻分布對(duì)載流子輸運(yùn)的影響表明了使載流子能量分布函數(shù)趨向高能量區(qū)。本研究團(tuán)隊(duì)所擴(kuò)展得到的框架能夠精確再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下 pNWFETs 的熱載流子退化過(guò)程，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，如果忽視自熱效應(yīng)的影響，那么模型計(jì)算所得的 HCD 效應(yīng)的嚴(yán)重程度將會(huì)大大低于實(shí)際觀測(cè)值。
本研究使用的 p 型環(huán)柵納米線晶體管的橫截面 TEM 形貌像
滑動(dòng)查看三種偏置應(yīng)力電壓條件下飽和漏電流變化曲線
HCD 效應(yīng)模型的示意圖
Si-H 鍵斷裂的示意圖
滑動(dòng)查看MINIMOS-NT*模擬計(jì)算所得兩種應(yīng)力電壓組合下晶格溫度分布
*Minimos-NT，是一款通用型半導(dǎo)體器件模擬軟件，可提供任意二維和三維器件幾何形狀的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和小信號(hào)分析。該軟件由維也納工業(yè)大學(xué)微電子研究所自主研發(fā)，用于集成電路器件的物理特性研究。
前景展望
IMEC 與知名高校 KU Leuven 和 TU Wien 通過(guò)建立創(chuàng)新物理模型，深入研究納米線晶體管的自熱效應(yīng)與熱載流子退化物理機(jī)制間的聯(lián)系，Nanowire 晶體管即將進(jìn)入量產(chǎn)階段，預(yù)計(jì)該成果將會(huì)對(duì)于未來(lái)納米線晶體管的良率與器件可靠性提升有重要意義，基于該成果的拓展性研發(fā)也將會(huì)惠及未來(lái) Nanosheet 和 Forksheet 器件的工藝研發(fā)。
團(tuán)隊(duì)介紹
團(tuán)隊(duì)帶頭人Stanislav Tyaginov博士出生于俄羅斯圣彼得堡，于2006 年獲物理學(xué)博士學(xué)位，IIRW 和 IRPS 的技術(shù)計(jì)劃委員會(huì)成員。他曾主導(dǎo)建設(shè)TU Wien 微電子研究所的 HCD模型開(kāi)發(fā)小組，在科學(xué)期刊和會(huì)議論文集上發(fā)表論文100 余篇。目前 Tyaginov博士的研究領(lǐng)域包括：晶體管物理模型仿真、基于Si 和碳化硅晶體管中的HCD效應(yīng)研究、BTI和經(jīng)時(shí)擊穿的建模以及MOS 器件中的隧穿現(xiàn)象。
IMEC，全稱：Interuniversity Microelectronics Centre，即比利時(shí)微電子研究中心，是一家成立于?1984?年的科技研發(fā)中心，?總部設(shè)在比利時(shí)魯汶。IMEC?的戰(zhàn)略定位為納米電子和數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域全球領(lǐng)先的前瞻性重大創(chuàng)新中心，IMEC?從?2004?年起參與了從 45nm 到 7nm 的芯片前沿技術(shù)的研發(fā)。
維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien），前身是維也納帝國(guó)皇家理工學(xué)院，是一所作為奧匈帝國(guó)皇家學(xué)院的科技學(xué)院建立起來(lái)的綜合性大學(xué)，是德語(yǔ)國(guó)家中的第一所科技型學(xué)府大學(xué)。在教學(xué)領(lǐng)域和研究領(lǐng)域都得到國(guó)際和國(guó)內(nèi)的認(rèn)可，是歐洲頂尖學(xué)府之一。
魯汶大學(xué)（KU Leuven），是比利時(shí)最高學(xué)府、世界百?gòu)?qiáng)名校、歐洲十大名校之一，集成電路相關(guān)學(xué)科在歐洲名列前茅，與同在比利時(shí)的IMEC 在集成電路技術(shù)研發(fā)方面有著深入、全面的合作。
論文原文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9260648
