1 - 1. 前言
科技日新月異，隨著半導體製程技術的進步，我們持續的微縮(scaling)金氧半場效 電晶體(MOSFET)的體積，主要目的當然是希望能藉此降低成本，並且提升晶片的運算 速度。隨著電晶體體積的微縮，如何有效地控制電晶體的漏電流 (leakage current，Ioff) ， 已成為目前非常重要的一個課題，主要因為傳統金氧半場效電晶體在微縮後的短通道效 應(short channel effects，SCEs)，例如漏電流太高、閘極控制能力差等……，如何在微縮 上更加進步，是我們迫切所想追求的目標。在我們尋求下一世代半導體材料的題目上，
首先依照其維度與態位密度關係的不同，大致可分為三類：(1)零維量子點(Quantum dot)；(2)一維奈米材料；(3)二維薄膜與量子井(Quantum well)結構。過去一、二十年中，
二維薄膜與量子井結構在材料發展領域裡均有不錯的表現，而零維量子點的材料特性分 析上與塊材料相似，故其發展為電子元件較為容易。只有一維奈米材料如奈米線 (Nanowires)、奈米管(Nanotube)、奈米柱 (Nanorods)等結構較特殊，而且也極具發展性。
1 - 1 - 1. 多閘極元件
從場效應電晶體(FET)的概念在 1925 年被首次提出，貝爾實驗室的科學家們在致力 於製作場效應電晶體時卻無意間做出第一個點接式的雙載子電晶體。單晶半導體材料的 匱乏妨礙了早期發展場效應電晶體的努力，然而在1950 年發明的單晶鍺，特別是在 1952 年所發明的單晶矽因此改變了這個情況。最後，貝爾實驗室中一群由M.M. (“約翰”) 阿 塔 拉(Atalla) 所 領 導 的 團 隊 在 1960 年 製 出 第 一 個 實 用 的 金 氧 半 場 效 應 電 晶 體 (MOSFET)[1]，自此以後金氧半場效應電晶體的技術就快速發展。從 1980 年代起，以金 氧半(MOS)為基礎的 IC 晶片就成為半導體產業的主流。從 1950 起採用微影技術來製造 電晶體和積體電路，隨著微影技術的進步[2]，單閘極場效應電晶體(MOSFET)如圖 1-1 簡單示意圖，未加入側壁間隙壁(sidewell spacer)，而通道長度標示為有效通道長度 (Channel length)，MOSFET 的電氣特性已面臨許多問題，如汲極導致能障下降(drain
induced barrier lowering, DIBL)短通道效應(Short Chaneel Effects, SCEs) 、穿隧電流 (tunneling current)等等……；然而絕緣層上矽(Silicon On Insulator, SOI)如圖 1-2 的元件 結構，與圖 1-1 相同為簡單示意圖，在通道區域可分為完全空乏型(Fully Depletion, FDSOI)與部分空乏型(Partial Depletion, PDSOI)兩種。此外，運用多重閘極(Mutli-gate) 場效應電晶體的發展是其中一個方向[5]。運用 SOI 製程技術在多閘極元件方面，又可分 為雙閘極鰭式場效應電晶體(FinFET)、三閘極場效應電晶體(Tri-gate transistor)與環繞式 結 構 Ω 式 場 效 應 電 晶 體( Ω -shape transistor) 及 奈 米 線 場 效 應 電 晶 體 (Nanowire transistor)[3]。
圖 1-1 單閘極場效應電晶體(MOSFET) 圖 1-2 ( SOI ) 元件結構剖面圖
1 - 1 - 2. 短通道效應
為了降低製成的單位成本以及摩爾定律(Moore’s Low)的實現，持續微縮 MOSFET 已成為趨勢[4]，除了可以增加電晶體密度及提升驅動電流外，進而改善元件電氣特性。
然而也因為元件尺寸的微縮所產生的SCEs；為了能夠有效抑制 SCEs，許多新的技術與 物理特性也不斷被發表，在此發展先進元件裡，多閘極元件的運用將會是勢在必行的趨 勢[7]-[13]。
1 - 1 - 3. 量子效應
除了改善元件結構之外，另外還有許多物理現象的發展以及公式的發明來印證微縮 後的量子效應。從古典物理發展到近代物理，由經典的薛丁格波動方程式不斷推導出許
Substrate
Buried Oxide Film thickness Channel length
Substrate Gate Drain
Source Source Gate Drain
多量子方程式，如M.L.D.A.(Modified Local Density Approximation)、V.D.(Van Dort) 、 D.G.(Density Gradient)等[6]……，量子效應方程式的建立讓我們能更精準預測以及解決 製程上考量。
1 - 2. 研究動機
因微影技術的進步，元件尺寸在低於 10 奈米下的 MOSFET 電氣特性受到許多考 驗，多閘極場效應電晶體會是提升電氣特性的方法之ㄧ。針對目前文獻上所提出的三種 多閘極元件[3]，我們以 FinFET 來代表雙閘極場效應電晶體、Tri-Gate 來代表三閘極電 晶體，最後以Nanowire 來代表四個閘極電晶體[14]，也就是環繞式電晶體。並且以一維 奈米材料與Nanowire 為出發點，從波松方程式(Poisson equation)的電氣特性與參考量子 效應之M.L.D.A.與 D.G. ，分別比較奈米線在 Poisson、M.L.D.A.與 D.G.之間的電氣特性 影響。除此之外，我們也跟其他兩種多閘極場效應電晶體FinFET 與 Tri-Gate，觀察他們 在量子效應下的影響，評估何者在未來具有代表性的元件。
1 - 3. 章節架構
本篇論文一共分為五章節，第一章節為文之序論，第二章節主要介紹量子效應在奈 米線場效應電晶體元件如圖 1-3 的影響，包含 Poisson’s equation、M.L.D.A.與 D.G.之間 的電氣特性差異。第三章探討多閘極元件的微縮能力，包含三種多閘極的元件架構，鰭 式場效應電晶體如圖 1-4、三閘極場效應電晶體如圖 1-5 與奈米線場效應電晶體三種元 件在通道長度不同的電氣特性現象，以及因微影上的偏差在直徑維度不同的電氣特性表 現。第四章節奈米線場效應元件的效能比較，包含電容方面比較，在邏輯電路上的特性 CV/Ion，在元件尺寸微縮下何者在邏輯電路上才是最佳的比例，包含晶格方向的驗證。
最後第五章則是結論。
Substrate Buried oxide
D
L tox Gate Source
Drain
圖 1-3 奈米線場效應電晶體元件(Nanowire transistor) 3D 結構示意圖
Substrate Buried oxide
Wsi Hsi
L
tox Gate
Source
Drain
圖 1-4 鰭式場效應電晶體元件(FinFET) 3D 結構示意圖
Substrate Buried oxide
W
siH
siL tox Gate Source
Drain
圖 1-5 三閘極場效應電晶體元件(Tri-Gate transistor) 3D 結構示意圖 Z
X Y
Z
X Y
Z
X Y