真空栅介质场效应晶体管自热效应模型

苏亚丽,赖俊桦,钱俊杰,叶雨欣,张国和

(1.西安石油大学机械工程学院,710065,西安;2.西安交通大学电信学部微电子学院,710049,西安; 3.中国科学院微电子研究所,100029,北京)

受到高功率密度、低热导率材料、紧凑几何结构与高表面积与体积比等因素的影响[1-2],沟道内热量无法及时散出,晶格温度迅速上升,导致在20 nm及以下工艺节点被广泛运用的三维立体器件[3-5]环栅硅纳米线场效应晶体管(GAA SiNWs FET)存在严重的自热效应,诱发热载流子注入(HCI)和偏置温度不稳定性(BTI)等二级物理效应,严重威胁器件和电路的性能与可靠性。因此,纳米器件自热效应导致性能衰退的机制和改善热特性的新器件结构设计成为了近年来研究的重点和难点。

真空栅介质鳍式场效应晶体管(FinFET)是将传统FinFET[6-8]的固态栅氧化层通过刻蚀工艺去除后所形成一种新型FinFET结构,有效地改善了纳米器件HCI和BTI等物理效应[9]。但是,鳍形沟道与底部埋氧层(BOX)存在大面积接触使得BOX层仍然能够俘获高能热载流子进而影响沟道内电势分布,导致HCI和BTI等可靠性问题无法从根本上解决。Han等采用悬空硅纳米线作为沟道提出了一种气体环绕的真空栅介质GAA SiNWs FET[10],有效地解决了HCI和BTI对器件性能影响的问题。然而,真空气体作为栅介质层,其热导率(0.025 W·m-1·K-1)不足固态栅介质SiO2热导率(1.4 W·m-1·K-1)的2%,真空栅介质GAA SiNWs FET将具有更明显的自热效应。因此,需要深入分析器件内复杂的热生成与热扩散过程以揭示真空栅介质GAA SiNWs FET的自热效应机理。

目前,国内外在数值模拟预测自热效应引起的纳米器件性能衰退的方面进行了大量的研究[11],但是,在这些数值模拟研究中尚未见采用硅纳米线热导率解析模型用于修正三维纳米器件的热电数值模拟仿真模型。……