目前鰭式場效電晶體 FinFET 已經成為全球半導體廠之主力展品，然而在電 晶體從平面結構走向立體結構之後，對於功函數改變在元件基本電性分析及可 靠度研究仍然不多。本節論文中將探討 p-FinFET 在不同功函數大小下之元件基 本電性與可靠度的影響，圖 3-1 為 FinFET 結構之示意圖，圖 3-2 為改變功函數 下的金屬閘極組成，圖 3-3 為本論文利用臨界電壓大小值去定義出功函數大小 值。
3.1 不同功函數之元件基本電性實驗
3.1.1 實驗設計
此部分著重在不同的功函數大小下對於p-FinFET 元件基本電性之影響，本 節研究所使用之FinFET 元件其通道長度(Gate length, L)皆固定為 16 nm，鰭高度 (Fin height, H)皆固定為 42 nm，鰭數(Fin number)有 1 根，2 根，20 根結構，藉 由Agilent B1500A 來觀察研究，並取得 ID-VG曲線、ID-VD曲線，以及萃取出之 臨界電壓(Vth)、次臨界擺幅(S.S.)等參數，分別探討在不同功函數大小下，對於 Fin1,Fin2,Fin20 規格下有何不同之影響。
3.1.2 基本電性分析
圖3-4 為單鰭 p-FinFET 之 ID-VG曲線，圖3-5 及圖 3-6 分別從 ID-VG圖中萃 取出Vth及S.S.比較圖，從圖中可以看出元件基本電性方面，隨著功函數的增加，
其臨界電壓 Vth值越小。另外次臨界擺幅 S.S.在基本電性下不論功函數的大小皆 有差不多且優異的數值(66 mV/dec)。再來看到圖 3-7 的 ID-VD曲線，可以發現 p-FinFET 功函數越大其飽和電流 ID也越大。
接著我們看到圖3-8,3-9,3-10,3-11 為 Fin2 的 ID-VG曲線，Vth及 S.S.比較圖 和ID-VD曲線，可以發現到隨著功函數的增加，臨界電壓的降低，以及飽和電流 的上升。再來看到圖3-12,3-13,3-14,3-15 為 Fin20 的 ID-VG曲線，Vth及S.S.比較 圖和ID-VD曲線，可以發現在不同功函數下的基本電性比較皆與Fin1&2 相同。
將上述三種不同鰭數之 FinFET 基本電性數據來作探討，從圖 3-16 的 p-FinFET 能帶圖，可以發現當熱平衡下功函數大的能帶彎曲較大，電洞累積越多 導致整體電流量上升，而從圖 3-3 的公式去得知功函數對於臨界電壓的反比關 係，因此我們發現當功函數增加時，元件的臨界電壓降低，飽和電流增加。
3.2 不同功函數之元件可靠度研究
3.2.1 實驗設計
熱載子注入(HCI)之實驗流程如圖 3-17 所示，我們將探討不同功函數下 p-FinFET 在其他元件規格參數相同之下，經過 5000 秒的熱載子注入實驗後元件退 化情形。
本節所有受測元件的通道長度固定為16nm，鰭寬度與鰭高度分別固定為 10 nm 與 42 nm。在進行 HCI 可靠度測試時，將元件的基極端跟源極端同時接地 (VB=VS=0)，而閘極端和汲極端分別給定偏壓(VG=Vth-1.1 V)，(VD=-1.5 V)壓力測 試時間共5000 秒，中途取數個固定的時間點進行元件之電性量測，再從測量出 的ID-VG及ID-VD曲線萃取出相關電性參數，比較不同功函數下的元件臨界電壓 變化量、次臨界擺幅變化量、飽和電流變化量，並統整做出探討。
3.2.2 可靠度研究結果分析
圖3-18 為單鰭不同功函數下經過 5000 秒 HCI 可靠度實驗的 ID-VG曲線，從 圖中我們可以發現，當經過了5000 秒施壓後不論是功函數大或小，皆往左邊偏 移，證明了臨界電壓的增加以及次臨界擺幅的上升，再來我們把此張圖萃取出臨 界電壓Vth來製作臨界電壓變化圖(圖 3-19)，從圖 3-19 可以發現功函數較大的，
它的變化量比功函數小的變化更明顯。功函數小的變化了90.42 mV，功函數大 的變化了 227.29 mV。再來看到圖 3-20 次臨界擺幅變化量，可以發現功函數大 跟小的變化明顯，皆有將近30 mV/dec 變化，可是兩者差別相差不明顯。圖 3-21 為單鰭不同功函數下經過5000 秒 HCI 可靠度實驗的 ID-VD曲線，從圖中我們可 以看出在經過5000 秒施壓後飽和電流皆有明顯的下降退化。我們將聚焦在汲極 電壓=-1.2 V 下的電流變化量(圖 3-22)，可以發現整體退化量在功函數高及低時 相差不大。
圖3-23 為雙鰭不同功函數下經過 5000 秒 HCI 可靠度實驗的 ID-VG曲線，我
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們一樣從曲線中萃取出臨界電壓及次臨界擺幅變化量(圖 24 及圖 25)，圖 3-24 中我們發現了功函數低的 Vth變化量也增加到200 mV，由於鰭數不同也會對 於 Vth變化有顯著影響，所以我們將會在第四章對此做討論。在圖 3-25 中可以 發現跟單鰭有著相像的趨勢，皆造成了明顯的 S.S.變化。圖 3-26 為雙鰭不同功 函數下經過5000 秒 HCI 可靠度實驗的 ID-VD曲線，從圖中我們可以看出在經過 5000 秒施壓後飽和電流皆有明顯的下降退化。一樣從汲極電壓=-1.2 V 下做出飽 和電流變化量(圖 27)。可以發現變化量與功函數大小並無太大關聯。看到圖 3-28 為 Fin20 下不同功函數經過 5000 秒 HCI 可靠度實驗的 ID-VG曲線，圖3-29 為 從ID-VG曲線測量出的Vth變化量圖，可以發現到鰭數的增加，造成了更多內部 影響，兩者的變化趨近於相同了，這些現象一樣在第四章我們會做出探討。圖 3-30 次臨界擺幅變化量圖，可以發現隨著鰭數增加整體 S.S.變化趨勢越來越大，
變化量達到將近50 mV/dec。圖 3-31 為 Fin20 下不同功函數經過 5000 秒 HCI 可 靠度實驗的ID-VD曲線，我們將汲極電壓=-1.2 V 下的飽和電流變化做成圖 3-32 可以發現不論鰭數的上升，飽和電流變化量對於不同功函數下的影響不明顯。
最後我們統整以上三種鰭數對於不同功函數下可靠度測試來做探討，並從 臨界電壓、次臨界擺幅、飽和電流退化來做個說明。我們認為隨著功函數增加金 屬閘極內的金屬離子增加並且越容易影響介面層，使得在熱載子注入下介面層 缺陷(Interface Trap)發生機率越高，所以在臨界電壓的變化量比功函數低來的更 大，另外功函數的改變對於次臨界擺幅及飽和電流的變化性影響不大。