【摘要】：隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,晶體管的尺寸的減小和新結(jié)構(gòu)的導(dǎo)入(FinFET和SOI),自熱效應(yīng)對(duì)晶體管性能和可靠性的影響也越來(lái)越嚴(yán)重。由于硅(Si)薄膜在垂直方向上的熱導(dǎo)較大,提取困難,導(dǎo)致當(dāng)前對(duì)硅薄膜截面熱導(dǎo)的研究少之又少。在本論文中我們結(jié)合超快速測(cè)試和瞬態(tài)熱阻(Transient Hot Strip,THS)法,利用絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(Silicon-on-Insulator,SOI)成功提取了不同溫度(75-400 K)下硅薄膜厚度為30/17/10 nm時(shí)的截面熱導(dǎo)。在已知范圍內(nèi),這是首次從實(shí)驗(yàn)中提取到硅材料的截面熱導(dǎo)。環(huán)境溫度為300 K時(shí),硅薄膜厚度為30/17/10 nm 時(shí)的熱導(dǎo)僅為體硅的 6.9%,4.3%和 3.8%。EIT(Heat Transport based on Extended Irreversible Hydrodynamic Method)模型為常用的熱傳導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。本文將�?shí)驗(yàn)提取的數(shù)據(jù)與EIT模型的理論值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者符合得較好。這從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該厚度下硅材料截面方向上聲子的輸運(yùn)為彈道輸運(yùn)。鍺(Ge)材料由于其同時(shí)具有較高的電子遷移率和空穴遷移率而備受關(guān)注。因此,利用相同的方法我們還提取了超薄絕緣體上鍺(GeOI)厚度為50/13/5 nm時(shí)的熱導(dǎo)。環(huán)境溫度為300K時(shí),50/13/5 nm的鍺薄膜的熱導(dǎo)分別為體鍺的42.35%,12.3%和2.7%。同樣的,鍺薄膜熱導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)值與EIT模型的理論值也取得了較好的一致性。由于鍺材料的表面相比硅材料的表面更容易引起較大的表面粗糙度,本文還系統(tǒng)地研究了干法刻蝕條件對(duì)鍺表面形貌的影響。在四氟化碳(CF4)氣體中加入20%的氧氣(O2),能在鍺表面生成氧化鍺(GeOx),使鍺表面在刻蝕過(guò)程中變得光滑。而增大或減小氧氣的含量,都會(huì)增大鍺的表面粗糙度。此外,用氧化硅(SiO2)代替光刻膠作為硬掩模,能通過(guò)減少含碳物質(zhì)的產(chǎn)生而減小表面粗糙度。因此,我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)干法刻蝕條件改變材料的表面粗糙度,進(jìn)而改變材料的熱導(dǎo)。基于上述實(shí)驗(yàn),我們對(duì)聲子-邊界散射作用下熱導(dǎo)對(duì)晶體管自熱效應(yīng)的影響進(jìn)行了探究。隨著硅薄膜和鍺薄膜厚度的減小,聲子-邊界散射的影響逐漸增大,晶體管的自熱效應(yīng)變得更加嚴(yán)重。在同一硅薄膜厚度下,聲子-邊界散射的影響隨著溫度升高而逐漸減小,SOI器件的自熱效應(yīng)有所減緩。而鍺薄膜的熱導(dǎo)與溫度的依存關(guān)系較小,自熱效應(yīng)對(duì)GeOI器件的影響隨環(huán)境溫度的上升并無(wú)較大的起伏。比較SOI和GeOI器件由于自熱效應(yīng)引起的電流退化程度(Ion_reduction)和最大溫度(Max_T),發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度較低時(shí)SOI器件的自熱效應(yīng)要比GeOI器件的自熱效應(yīng)嚴(yán)重。但隨著環(huán)境溫度的升高或薄膜厚度的減小,兩者由于自熱效應(yīng)引起的器件特性退化程度的差異減小。此外,聲子-邊界散射作用下的熱導(dǎo)還會(huì)嚴(yán)重影響晶體管內(nèi)部的溫度分布。因此,不考慮聲子-邊界散射對(duì)熱導(dǎo)的影響會(huì)嚴(yán)重低估器件的自熱效應(yīng)。最后,我們還系統(tǒng)地研究了應(yīng)力作用下熱導(dǎo)對(duì)器件中自熱效應(yīng)的影響。利用相變材料(PCM)在較低工藝溫度下在硅和鍺襯底上引入較大的應(yīng)力。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中相變材料體積的變化,利用有限元計(jì)算得到GST,GeTe和Sb2Te3三種相變材料在硅薄膜中(TSi=30 nm)產(chǎn)生的壓應(yīng)變分別為1.0%,1.5%和2.8%,在鍺薄膜中(TGe=13 nm)產(chǎn)生的應(yīng)變分別為1.0%,2.1%和3.0%。利用密度泛函(D F T)方法計(jì)算得到硅和鍺薄膜在不同應(yīng)變下的聲子譜,結(jié)合聲子譜計(jì)算得到的聲子群速度和Holland模型可以獲得硅和鍺襯底不同應(yīng)變下的熱導(dǎo)。結(jié)果表明,隨著壓應(yīng)力增大,硅和鍺的的熱導(dǎo)逐漸增大;隨著拉應(yīng)力的增大,硅和鍺的熱導(dǎo)逐漸減小。最后通過(guò)TCAD模擬仿真,分析了應(yīng)力作用下熱導(dǎo)對(duì)晶體管自熱效應(yīng)的影響。分析發(fā)現(xiàn),應(yīng)力作用下熱導(dǎo)對(duì)晶體管自熱效應(yīng)的影響遠(yuǎn)小于應(yīng)力對(duì)載流子遷移率的影響。但應(yīng)力技術(shù)仍可以作為熱電材料提升熱電優(yōu)值的一種有效技術(shù)手段。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN32
【圖文】：

邐第一章緒論逡逑圖１．１是晶體管９０邋ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)到２２邋ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)工業(yè)界引入的具有里程碑逡逑式的創(chuàng)新技術(shù)［１３］。在９０ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，引入了應(yīng)力技術(shù)；在４５ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)逡逑中，引入了高介電常數(shù)金屬柵（Ｈｉｇｈ－ｋＭｅｔａｌＧａｔｅ）工藝；在２２ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，逡逑引入了鰭式晶體管ＣＦｉｎＦＥＴ）結(jié)構(gòu)。在晶體管中引入應(yīng)力會(huì)使晶格失配，導(dǎo)致內(nèi)逡逑部原子的周期性勢(shì)場(chǎng)和能帶結(jié)構(gòu)改變。而能帶結(jié)構(gòu)改變會(huì)減小載流子的有效質(zhì)量逡逑和散射概率，提高晶體管的遷移率。另一方面，在晶體管中引入應(yīng)力同時(shí)會(huì)改變逡逑聲子的色散關(guān)系，改變材料的熱導(dǎo)。對(duì)鰭式晶體管結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，晶體管溝道從平面逡逑結(jié)構(gòu)變成立體板狀結(jié)構(gòu)，增大了柵極與溝道的接觸面積。因此與傳統(tǒng)平面器件相逡逑比，鰭式晶體管能更有效地減小柵長(zhǎng)，提高柵控，減小短溝道效應(yīng)，降低漏電。逡逑雖然鰭式晶體管能有效提高器件特性

浙江大學(xué)博士論文學(xué)位邐第一章緒論逡逑＝廠＾＾邐（１．７）逡逑＾ｉｓｏｔｏｐｅ邐４ｒ７ｉｖｓ逡逑ｖｓ是聲子的群速度，巧＝｛（１／３）［１＾＋２＾／］｝＿１。其中ｖｉ＊ｖ７？分別代表橫波和縱波的聲逡逑子群速度。Ｋ０為襯底原子體積，尸是根據(jù)同位素原子質(zhì)量計(jì)算的系數(shù)。在Ｓｉ材逡逑料中，廠＝２．１ｘｌ0－４。逡逑－－缺－－－

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本文編號(hào)：2721567