【摘要】：隨著集成電路技術的發(fā)展,晶體管的尺寸的減小和新結構的導入(FinFET和SOI),自熱效應對晶體管性能和可靠性的影響也越來越嚴重。由于硅(Si)薄膜在垂直方向上的熱導較大,提取困難,導致當前對硅薄膜截面熱導的研究少之又少。在本論文中我們結合超快速測試和瞬態(tài)熱阻(Transient Hot Strip,THS)法,利用絕緣體上硅結構(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時的截面熱導。在已知范圍內,這是首次從實驗中提取到硅材料的截面熱導。環(huán)境溫度為300 K時,硅薄膜厚度為30/17/10 nm 時的熱導僅為體硅的 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經驗模型。本文將實驗提取的數據與EIT模型的理論值進行比較,發(fā)現兩者符合得較好。這從實驗上驗證了該厚度下硅材料截面方向上聲子的輸運為彈道輸運。鍺(Ge)材料由于其同時具有較高的電子遷移率和空穴遷移率而備受關注。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時的熱導。環(huán)境溫度為300K時,50/13/5 nm的鍺薄膜的熱導分別為體鍺的42.35%,12.3%和2.7%。同樣的,鍺薄膜熱導的實驗值與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),使鍺表面在刻蝕過程中變得光滑。而增大或減小氧氣的含量,都會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,能通過減少含碳物質的產生而減小表面粗糙度。因此,我們可以通過調節(jié)干法刻蝕條件改變材料的表面粗糙度,進而改變材料的熱導�；谏鲜鰧嶒�,我們對聲子-邊界散射作用下熱導對晶體管自熱效應的影響進行了探究。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,晶體管的自熱效應變得更加嚴重。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器件的自熱效應有所減緩。而鍺薄膜的熱導與溫度的依存關系較小,自熱效應對GeOI器件的影響隨環(huán)境溫度的上升并無較大的起伏。比較SOI和GeOI器件由于自熱效應引起的電流退化程度(Ion_reduction)和最大溫度(Max_T),發(fā)現在環(huán)境溫度較低時SOI器件的自熱效應要比GeOI器件的自熱效應嚴重。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還會嚴重影響晶體管內部的溫度分布。因此,不考慮聲子-邊界散射對熱導的影響會嚴重低估器件的自熱效應。最后,我們還系統(tǒng)地研究了應力作用下熱導對器件中自熱效應的影響。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力。結合實驗中相變材料體積的變化,利用有限元計算得到GST,GeTe和Sb2Te3三種相變材料在硅薄膜中(TSi=30 nm)產生的壓應變分別為1.0%,1.5%和2.8%,在鍺薄膜中(TGe=13 nm)產生的應變分別為1.0%,2.1%和3.0%。利用密度泛函(D F T)方法計算得到硅和鍺薄膜在不同應變下的聲子譜,結合聲子譜計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變下的熱導。結果表明,隨著壓應力增大,硅和鍺的的熱導逐漸增大;隨著拉應力的增大,硅和鍺的熱導逐漸減小。最后通過TCAD模擬仿真,分析了應力作用下熱導對晶體管自熱效應的影響。分析發(fā)現,應力作用下熱導對晶體管自熱效應的影響遠小于應力對載流子遷移率的影響。但應力技術仍可以作為熱電材料提升熱電優(yōu)值的一種有效技術手段。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN32
【圖文】：

邐第一章緒論逡逑圖１．１是晶體管９０邋ｎｍ技術節(jié)點到２２邋ｎｍ技術節(jié)點工業(yè)界引入的具有里程碑逡逑式的創(chuàng)新技術［１３］。在９０ｎｍ技術節(jié)點中，引入了應力技術；在４５ｎｍ技術節(jié)點逡逑中，引入了高介電常數金屬柵（Ｈｉｇｈ－ｋＭｅｔａｌＧａｔｅ）工藝；在２２ｎｍ技術節(jié)點中，逡逑引入了鰭式晶體管ＣＦｉｎＦＥＴ）結構。在晶體管中引入應力會使晶格失配，導致內逡逑部原子的周期性勢場和能帶結構改變。而能帶結構改變會減小載流子的有效質量逡逑和散射概率，提高晶體管的遷移率。另一方面，在晶體管中引入應力同時會改變逡逑聲子的色散關系，改變材料的熱導。對鰭式晶體管結構來說，晶體管溝道從平面逡逑結構變成立體板狀結構，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，提高柵控，減小短溝道效應，降低漏電。逡逑雖然鰭式晶體管能有效提高器件特性

浙江大學博士論文學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，尸是根據同位素原子質量計算的系數。在Ｓｉ材逡逑料中，廠＝２．１ｘｌ0－４。逡逑－－缺－－－

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本文編號：2721567