单轴应变硅MOSFET栅极漏电流及NBTI效应诱发的器件退化机制与模型研究

Strained-Si materials with its advantage of high-mobility, tunable bandgap and compatible technology with traditional silicon processing, Therefore, Strained-Si was considered the most promising new technology to continue Moore's Law. In the project，the uniaxial strained-Si MOSFET device was used as the object of study. Aiming at the gate leakage current and negative bias temperature instability two key reliabilities of the device, proposed these two key reliability problems are not result in 'material', but caused by 'device', i.e., the Coupling between physical problems such as stress, strain, electric field, Interface states, gate leakage current, the shift of threshold voltage. On the base of these, in this project, the two key reliabilities are studied systematically from theory, simulation and experiments. The gate leakage current model and NBTI effect mechanism model were established. Provide guidance to improve the theoretical and experimental for uniaxial strained-Si MOSFET device reliability.

应变硅具有载流子迁移率高、带隙可调，并与硅的微电子技术兼容等优异特性，被认为是延续Moore定律最有潜力的新技术之一。本申请项目以单轴应变硅MOS器件为研究对象，针对它的栅极漏电流和负偏置温度不稳定性(negative bias temperature instability, NBTI)两大可靠性问题，提出单轴应变硅MOS器件的栅极漏电流和NBTI效应两大可靠性问题不是简单的"材料"问题，而是一个"器件"问题，即应力、应变、电场、界面态、栅极漏电流和阈值电压漂移等物理量之间的耦合问题。基于此，本项目从理论、仿真和实验三方面研究本项目针对应变硅MOS器件两大可靠性问题进行深入而系统研究：分别建立了MOS器件的栅极漏电流的多物理变量耦合模型和NBTI效应机理模型。为制造可靠单轴应变硅MOS器件提供理论和实验指导。

众所周知，随着集成电路特征尺寸的逐步缩小，器件的工作电压也相应地变小。为了保证栅极对沟道的控制，栅氧化层厚度必须同步按比例缩小，这就使得栅极漏电流增加，对器件性能造成了严重影响。而由于受到目前材料质量、器件工艺水平以及材料与器件结构等因素的影响， 从而使得应变硅器件特性还没有充分体现出应变硅材料的优势。应变硅器件在应力大小、载流子能带结构和载流子分布制等方面与其它半导体器件存在很大的差异，应变硅器件的栅极漏电流变得较复杂，需要开展深入研究。此外应变硅器件NBTI 效应的机制仍然未有定论。因此，很有必要对应变硅MOSFET器件的NBTI效应机制和模型问题进行深入研究。本项目以单轴应变硅MOSFET 器件为研究对象，通过深入研究不同(方向、类型、强度)单轴应力作用下硅材料的能带结构及载流子迁移率，研究应变对MOS器件宏观性能的影响，研究应变和界面晶格失配及漏电流之间的关联，研究应力、应变、界面态、阈值电压漂移、栅极漏电流和NBTI 效应等物理量的耦合模型。为应变硅MOS器件的设计、评价和应用等奠定基础。项目取得了以下主要研究成果：1）建立了单轴应变硅MOSFET的导带、价带等模型；给出了单轴应变硅MOSFET的栅极漏电流模型及退化机制，总结出减少栅极漏电流的加固方案。（2）建立了NBTI效应的机制与相关物理量的耦合效应模型，给出不同应变硅层厚度及不同温度应力等物理量的情况下器件退化的物理机制，总结了单轴应变硅MOSFET器件改善NBTI效应的可行性方案。（3）建立了对称双栅高斯掺杂应变硅 MOSFET器件的阈值电压、表面势模型和叠栅介质渐变沟道双栅全耗尽型应变硅MOSFET的表面势、阈值电压，亚阈值电流等模型。项目的研究适应于应变硅器件和电路的发展要求，为新一代高速电子的发展提供必要的技术支持，对我国抢占新的战略制高点具有重要的战略意义。因此本项目的研究具有重大的科学意义和应用价值，对于应变硅器件商业化进程具有推动作用，在民用经济、航空航天以及军事领域具有极其广阔应用前景。