實驗結果分析 - 鰭式場效電晶體[100]與[110]通道的機械應力影響與電性壓迫比較

3-1 基本電性分析

分析元件的基本電性主要以 I_D-VG、I_D-VD、G_M-VG三項，比較出元件的差異性，藉此了解 FinFET 特性趨勢。

3-1-1 實驗設計

基本電性量測分成三部分，第一部分為不同通道寬度比較，不同寬度下元件會有什麼電性趨勢，又再細分成通道[100]和[110]兩種方向。第二部分為不同通道方向比較，探討不同通道方向元件間基本電性差異。第三為施加外應力情況下比較，在對晶片施加外應力，使的晶片上的鰭式場效電晶體元件通道有所型變，

並藉以觀察 I-V 曲線的變化趨勢。

3-1-2 不同寬度元件之基本電性結果分析

本實驗中，使用 N 型電晶體在不同寬度下之基本電性比較。元件通道長度固定 400nm，元件通道方向為[100]，寬度則為 50nm、60nm、70nm，分別比較 ID-VG、 Gm-V_G、I_D-V_D和 V_th。

圖 3-1-2-1 和圖 3-1-2-2 為元件通道方向[100] nFinFETs 不同寬度 I_D-VG圖和單位等效寬度下 I_D-V_G圖，從 3-1-2-1 圖中可得知，在寬度由小到大的情況下，

其次臨界擺幅有變小的趨勢，由 50nm 的 233.9 下降至 70nm 的 186.6(mV/decade)，

汲極電流也有變大的傾向，在圖 3-1-2-2 可以得知，次臨界斜率變化不大，汲極電流 I_D則是寬度大的元件表現略好於寬度小的元件，圖 3-1-2-3 和圖 3-1-2-4 為 元件通道方向[100] nFinFETs 不同寬度下 G_M-V_G圖和單位等效寬度下 G_M-V_G圖，

因為 G_M值正比於有效寬度，因此元件在寬度越大的情況下，其特性曲線較好，

轉導最大值(G_m,Max)也較高，而在除以等效寬度(W_eff=2H_fin+W_fin)後，寬度較大的 元件電性表現較好。圖 3-1-2-5 和圖 3-1-2-6 為元件通道方向[100] nFinFETs 不同 寬度 I_D-V_D圖和單位等效寬度 I_D-V_D圖，在 I_D電流公式中，我們可以推導出 I_D 和等效寬度(Weff)成正比，而圖 3-1-2-6 量測結果也符合公式所推導的結果，圖中寬度較大的 70nm 元件在除以單位等效寬度後依然有著較佳的汲極電流。圖 3-1-2-7 為不同寬度之臨界電壓圖，可以看出元件的臨界電壓隨著寬度的上升而下降，70nm 的元件有著較小的臨界電壓值。

3-1-3 不同通道方向元件基本電性結果分析

實驗元件為寬度 50nm 和 70nm、長度 400nm，通道方向各為[100]和[110]，

比較不同通道方向的元件基本電性特性。

圖 3-1-3-1 和圖 3-1-3-2 為寬度 50nm 和 70nm 的 nFinFETs 元件不同通道方向 I_D-V_G圖以及單位等效寬度 I_D-V_G圖，由圖 3-1-3-1 可知，通道方向[110]元件的次臨界擺幅和汲極電流皆比通道方向[100]元件來的好，而在寬度增加的情況下，

寬度 70nm 和寬度 50nm 的元件相比較，皆為上升的情況，這也合乎章節 3-1-2 所得出的結論，圖 3-1-3-2 基本電性則是呈現和圖 3-1-3-1 相同的趨勢，通道方向 [110]元件擁有比通道方向[100]元件更好的特性。圖 3-1-3-3 和圖 3-1-3-4 為寬度 50nm 和 70nm 的 nFinFETs 元件不同通道方向 G_M-V_G圖和單位等效寬度 G_M-V_G 圖，結果顯示在通道方向為[110]的元件，其轉導值和臨界電壓皆好於通道方向 為[100]的元件，圖 3-1-3-4 為 nFinFETs 元件單位等效寬度 G_M-V_G圖，基本電性趨勢和圖 3-1-3-3 相同，未旋轉角度的通道方向[110]元件好於旋轉 45^o的通道方 向[100]元件。圖 3-1-3-5 和圖 3-1-3-6 為寬度 50nm 和 70nm 的 nFinFETs 元件不 同通道方向 I_D-VD圖和單位等效寬度 I_D-VD圖，可知通道方向[110]元件的汲極電 流大於通道方向[100]元件，這也呼應圖 3-1-3-1 的結果，圖 3-1-3-6 為 nFinFETs 單位等效寬度 I_D-VD圖，通道方向[110]元件的汲極電流亦大於通道方向[100]元件，

這是因為元件通道方向[110]的元件有著比元件通道方向[100]的元件更好的電子遷移率的關係[14]。

3-1-4 元件外加應力基本電性結果分析

元件選擇寬度 70nm、長度 400nm，施壓於晶片上，使得鰭式場效電晶體以及晶片上面的元件通道有所形變，並觀察其基本電性的變化趨勢。

外應力對元件的影響和其通道方向和基板晶向有密切的關係，這是因為通道方向和壓阻係數有關[16][17]，正常通道方向為[110]，應變方向與通道平行 (longitudinal)的壓阻係數為(π₁₁ +π₁₂ +π₄₄ )/2，π₁₁、π12和π 44 為矽壓阻係數矩陣上獨立的係數，但[100]方向則決定於 π11 (longitudinal)與π12 (transverse)[18]，本實驗由於採用平行通道方向的量測方式，由單晶矽壓阻係數表 3-1-4-1 後可得出 nFinFET 在通道方向[100]平行通道的壓阻係數 πl[110]為-102.2，通道方向[110]平行通道的壓阻係數πl[110]為-31.2。而本實驗使用鰭式場效電晶體元件通道方向為 [100]和[110]，施力方向相對元件通道方向為平行( Longitudinal) ，圖 3-1-4-1 和圖 3-1-4-4 為元件受到平行伸張方向施力的 I_D-V_G圖，從數據來看，在受到下頂伸張方向應變時，次臨界擺幅會有好轉的現象，圖 3-1-4-2 和圖 3-1-4-5 為元件受到平行伸張方向施力的 G_M-V_G圖，在受到下頂伸張方向應變時，轉移電導值也呈現上升的現象，圖 3-1-4-3 和圖 3-1-4-6 為元件受到平行伸張方向施力的 I_D-V_D 圖，亦可看出汲極電流有著上升的現象。圖 3-1-4-7 到圖 3-1-4-12 則是施加平行壓縮方向的應變結果，數據顯示，和施力於平行伸張方向的情況相反，受到上頂壓縮方向應變時，轉移電導值和汲極電流都呈現下降的趨勢。從實驗結果可以看出，量測結果符合矽壓阻係數的描述，在受到壓縮方向應力時，電性呈現下降的趨勢，而在受到伸張方向的施力時，則會呈現相反的上升現象，並且通道方向[100]

的元件受外應力的變化量比通道方向[110]的元件要來的大。

3-2 可靠度量測分析

分析元件的基本電性主要以 ID-VG、ID-VD、IG-VG三項，比較出 FinFET 元件的不同處，藉此了解 FinFET 特性。

隨著半導體技術開始發展，其效能與尺寸都不斷進步，社會大眾對產品的需求也不斷提高，每當新型半導體被提出，能否投入生產製造，可靠度便成為一項重要的依據[19][20]，因此對元件進行可靠度測試也是技術發展重要的一環。

常見的可靠度測試可分為下列五項:

(一) 熱載子效應(Hot Carrier Effect，HCE)。

(二) 正/負偏壓溫度不穩定性(Positive/Negative Bias Temperature Instability, PBTI/NBTI)。

(三) 時依性介電層崩潰(Time Dependent Dielectric Breakdown，TDDB)。

(四) 電遷移(Electromigration，EM)。

(五) 崩潰電荷(Breakdown Charge，Qbd)

在這章節裡我們將分成三項來探討，先以不同通道寬度為條件進行實驗，之後為不同通道方向元件，最後測量接合與非接合元件，而可靠度實驗則是採取正偏壓不穩定效應(Positive Bias Temperature Instability)。

3-2-1 正偏壓溫度不穩定性(Positive Bias Temperature

Instability)

元件退化主要是由元件內部缺陷所造成的，當在 n 型電晶體的閘極施加正偏壓，其餘電極接地，造成介面陷阱和固定氧化層電荷會隨著時間而增加，這些缺陷會產生捕捉或逸散的現象，導致元件的臨界電壓上升，驅動電流也會隨之下降，

這是一種氧化層與界面上存在的缺陷，這種因偏壓所造成的元件退化情形，我們稱之為偏壓不穩定性。

3-2-2 正偏壓溫度不穩定性實驗設計

一、不同通道寬度下 PBTI 實驗

圖 3-2-2-1 為此次實驗流程圖，量測元件寬度為 50nm 和 70nm，長度固定為 400nm，閘極電壓(V_G)給定 2.7V，汲極、源極、基極接地

(VB=VS=VD=0)，實驗時間從 0 至 100 分鐘，量測 Gm-VG、ID-VG、ID-VD、實驗數據，並觀察 V_th、SS(Swing Slope)^、G_M,Max、I_D退化情形。

二、不同通道方向 PBTI 實驗

量測 nFET 尺寸分別為 W=70nm、L=400nm、元件通道方向[100]與 W=70nm、L=400nm、元件通道方向[110]，比較這 2 組元件加上偏壓 100 分鐘後的狀況，壓迫電壓為 2.7V。

3-2-3 不同通道寬度下 PBTI 實驗結果

圖 3-2-3-16 為不同寬度壓迫 100 分鐘臨界電壓變化結果百分比，圖 3-2-3-17 是不同寬度壓迫 100 分鐘臨界電壓變化值每 20 的量測結果，從圖中顯示來看，

壓迫 100 分鐘後臨界電壓皆變大，依照實驗結果，可以看出通道寬度較大的如 70nm 元件臨界電壓變化程度較大。圖 3-2-3-1 和圖 3-2-3-2 為通道方向[100]元件寬度分別為 50nm 和 70nm 壓迫 100 分鐘的 I_D-V_G圖，所有的結果 SS 皆為上升的趨勢，表示元件導通速度有變差的情況，而在寬度大的元件擁有著較好的 SS，

而且在經過壓迫 100 分鐘後，SS 會有較小的變化量。圖 3-2-3-5 和圖 3-2-3-6 為寬度 50nm 和 70nm 壓迫 100 分鐘的 G_M-VG圖，可以看到每張圖特性曲線因退化

使 G_m,Max則有下降情形。圖 3-2-3-14 為不同寬度壓迫 100 分鐘 G_m,Max變化結果百

分比，可以看出 G_m,Max皆往下降，而通道寬度較小的 70nm 有著較大的變化量。

圖 3-2-3-9 和圖 3-2-3-10 為寬度 50nm 和 70nm 壓迫 100 分鐘的 I_D-V_D圖，可以看出在電壓壓迫後，I_D皆有下降趨勢。圖 3-2-3-15 為不同寬度 I_D退化結果百分比，

圖中可以看到當寬度越大時，I_D退化程度會變小，寬度 70nm 元件有著較小的退化幅度。表 3-2-1 到表 3-2-4 為 ΔVth、ΔGm,Max、ΔSS 和 ID degradation 變化表，從結果顯示在寬度變大時元件會有較穩定的電性，這是因在寬度小的元件其內部電場強度較強，導致載子產生穿隧效應，元件受載子穿隧影響在氧化層與通道界面產生缺陷，而使元件退化變大。

3-2-4 不同通道方向 PBTI 實驗結果

圖 3-2-3-2 與 3-2-3-4 為通道方向[100]元件與通道方向[110]寬度 70nm 的元件壓迫 100 分鐘後的 I_D-V_G圖，經過比較次臨界擺幅後，通道方向[100]的元件有著較小的變化量。圖 3-2-3-6 與 3-2-3-8 為通道方向[100]元件與通道方向[110]元件壓迫 100 分鐘後的 Gm-V_G圖，從圖中可以看出，特性曲線有右移趨勢，並且 G_m,Max 降低。圖 3-2-3-14 為不同通道方向元件壓迫 100 分鐘的 Gm,Max變化圖，從圖中可以觀察到通道方向[100]元件的變化幅度較通道方向[110]元件小。圖 3-2-3-10 與圖 3-2-3-12 為通道方向[100]元件與通道方向[110]元件壓迫 100 分鐘後的 ID-VD

圖，兩張圖的 I_D都出現下降情形。圖 3-2-3-15 為不同通道方向元件壓迫 100 分鐘的 ID退化圖，從圖中顯示，通道方向[100]元件退化程度小於通道方向[110]元件。圖 3-2-3-16 為不同通道方向元件壓迫 100 分鐘的臨界電壓變化圖，可以看出和其他組資料結論相同，通道方向[100]元件有著較小的變化量。表 3-2-1 到表 3-2-4 為不同通道方向元件 ΔVth、ΔGm,Max、ΔSS 和 ID-degradation 變化表，從結果顯示出通道方向[100]元件比起通道方向[110]元件有較穩定的退化機制，其原因在於通道方向[100]的元件有著較低的矽原子密度，因此會產生較低的界面衰退並擁有較好的可靠度[6]。

26 nFET L=400nm

Vd=0.05V Channel <100>

W(nm) SS(mv/decade) nFET L=400nm

Vd=0.05V Channel <100>

normalized by W_eff W(nm)

50 60 70

圖 3-1-2-2 nFinFET 單位等效寬度下 I_D-VG圖

27 nFET L=400nm

Vd=0.05V Channel <100>

W(nm) nFET L=400nm

Vd=0.05V Channel <100>

normalized by W_eff W(nm)

50 60 70

圖 3-1-2-4 nFinFET 單位等效寬度下 GM-VG圖

normalized by W_eff W(nm)

50 60 70

圖 3-1-2-6 nFinFET 通道方向[100]單位等效寬度下 ID-VD圖

50 60 70

0.50 0.55

nFET L=400 nm

V th(V)

Width (nm)

Vth

0.544

0.518

0.505

圖 3-1-2-7 nFinFET 不同寬度下之臨界電壓圖

nFET L=400nm

Vd=0.05V SS(mv/decade) Channel<100> W=50 233.9 Channel<100> W=70 174.1 Channel<110> W=50 153.4 Channel<110> W=70 124.4

圖 3-1-3-1 nFinFET 寬度 W=50nm&70nm 不同通道方向下 ID-VG圖

nFET L=400nm Vd=0.05V normalized by W_eff