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第五章 結論與未來展望

5.2 未來展望

為了突破電晶體次臨界擺幅(SS) < 60 mV/dec 的熱限制,NCFET 元件結構已漸漸 被大家重視。本論文鰭寬度最大只到 400nm,表現出對鐵電層影響不明顯,希望未 來研究方面能增加更多的鰭寬度並觀察是否影響NCFET 元件之鐵電層。

並且在經過熱載子注入(HCI)靠度實驗後,我們發現施加能量會導致晶格轉換,

希望研究未來能加入晶格轉換對NCFET 元件電性影響更深入的探討。

另外在快速熱退火實驗中,我們發現氫離子(H+)受到 HCI 施壓後鍵結被電子電動 對打斷而逸散到元件中形成和移動電荷類似的機制,因此希望未來能去了解氫離子 (H+)是如何在元件中運動,進而破壞元件導致元件衰退。

22

圖2-1 探針座量測系統

圖2-2 半導體參數分析儀(Agilent B1500A)

23

圖2-3 熱載子效應示意圖

圖2-4 NCFET 元件 Gate 端經過熱載子注入後介面缺陷示意圖

24

圖3-1 NCFET 結構示意圖

圖3-2 NCFET 元件在 Fresh 狀態時之 TEM 圖

25

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

Fwd NCFET HZO N-type Rvs

W=20nm,L=40nm,H=20nm Vth(Fwd)=370mV

Vth(Rvs)=580mV hysteresis=210mV

NCFET HZO N-type W=20nm,L=40nm,H=20nm

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

Fwd Rvs

圖 3-4 鰭寬度 20nm 之 ID-VD曲線

26

NCFET HZO N-type W=20nm,L=40nm,H=20nm

Gate Voltage (V)

Fwd

27

28

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

Fwd Rvs

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm Vth(Fwd)=220mV

Vth(Rvs)=390mV Hysteresis=170mV

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

Fwd Rvs

圖 3-10 鰭寬度 400nm 之 ID-VD曲線

29

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm

G

M

(A/V)

Gate Voltage (V)

Fwd

Drai n C urre nt (A)

Gate Voltage (V)

W=20nm(Fwd) NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm

SS=88 SS=121 SS=151

圖3-12 不同鰭寬度之 ID-VG比較圖

30

Drai n C urre nt (A)

Drain Voltage (V)

W=20nm(Fwd)

NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm

Gate Voltage (V)

W=20nm(Fwd) NCFET HZO N-type

L=40nm,H=20nm

圖 3-14 不同鰭寬度之 GM-VG比較圖

31

圖3-15 熱載子注入(HCI)實驗流程圖

32

圖3-16 NCFET 元件經過 5000 秒 HCI 之 TEM 圖

-2 -1 0 1 2

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

neg~pos pos~neg NCFET HZO N-type

W=20nm,L=40nm,H=20nm HCI: V

G=V

D=2.3V Vth(Fwd)=770mV Vth(Rvs)=1000mV Hysteresis=230mV SS(Fwd)=112.2mV/dec SS(Rvs)=118.4mV/dec

圖3-17 鰭寬度 20nm 經過 5000 秒 HCI Stress 之 ID-VG曲線

33

NCFET HZO N-type W=20nm,L=40nm,H=20nm HCI: V

G=V

D=2.3V Vth(Fwd)=770mV Vth(Rvs)=1000mV Hysteresis=230mV SS(Fwd)=112.2mV/dec SS(Rvs)=118.4mV/dec

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

Fwd

NCFET HZO N-type W=20nm,L=40nm,H=20nm HCI: V

G=V

D=2.3V Vth(Fwd)=770mV Vth(Rvs)=1000mV Hysteresis=230mV SS(Fwd)=112.2mV/dec SS(Rvs)=118.4mV/dec

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

Fwd Rvs

圖3-19 鰭寬度 20nm 經過 5000 秒 HCI Stress 之 GM-VG曲線

34

35

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

Fwd Rvs

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm

36

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

Fwd

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm

Gate Voltage (V)

Fwd Rvs

圖3-25 鰭寬度 400nm 經過 5000 秒 HCI Stress 之 GM-VG曲線

37

Drai n C urre nt (A)

Gate Voltage (V)

W=20nm(Fwd) NCFET HZO N-type

L=40nm,H=20nm

Drai n C urre nt (A)

Drain Voltage (V)

W=20nm(Fwd)

NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm HCI:VG=VD=2.3V

圖3-27 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 ID-VD曲線比較圖

38

Gate Voltage (V)

W=20nm(Fwd) NCFET HZO N-type

L=40nm,H=20nm

Drai n C urre nt (A)

Gate Voltage (V)

W=20nm(Fresh) NCFET HZO N-type

L=40nm,H=20nm

39

Drai n C urre nt (A)

Drain Voltage (V)

W=20nm(Fresh)

NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm

Gate Voltage (V)

W=20nm(fresh) NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V

圖3-31 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI 與 Fresh 之 GM-VG曲線比較圖

40

1 10 100 1000 10000

0 NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm HCI:VG=VD=2.3V

圖3-32 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 ΔSS(Fwd)-Time 比較圖

1 10 100 1000 10000

-5

41

1 10 100 1000 10000

0 100 200 300 400 500 600

NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm HCI:VG=VD=2.3V

Vt h (mV )

Time (S)

W=20nm(Fwd) W=20nm(Rvs) W=30nm(Fwd) W=30nm(Rvs) W=400nm(Fwd) W=400nm(Rvs)

圖3-34 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 ΔVth-Time 比較圖

圖3-35 不同鰭寬度兩側壁距離示意圖

42

1 10 100 1000 10000

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Hyster esi s (mV)

Time (S)

W=20nm W=30nm W=400nm NCFET HZO N-type

L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V

圖3-36 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 Hysteresis-Time 比較圖

圖3-37 NCFET 元件 Fresh 之晶格

43

圖3-38 NCFET 元件經過 5000 秒 HCI Stress 後之晶格

100 150 200 250 300

80 100 120 140 160

W=20nm W=30nm W=400nm

SS (Fwd) (mV /dec )

Hysteresis (mV)

NCFET HZO N-type L=40nm,H=20nm HCI:VG=VD=2.3V

圖3-39 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 SS(Fwd)-Hysteresis 比較圖

44

150 200 250

100 120 140 160

W=20nm W=30nm W=400nm

SS (R v s) (mV /dec )

Hysteresis (mV)

NCFET HZO N-type L=40nm, H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V

圖3-40 不同鰭寬度經過 5000 秒 HCI Stress 之 SS(Rvs)-Hysteresis 比較圖

圖4-1 未經過快速熱退火之 NCFET Gate 端結構示意圖

45

圖4-2 經過快速熱退火後之 NCFET Gate 端結構示意圖

0 1

10-12 10-10 10-8 10-6

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(Fwd) W/O RTA(Rvs) W/ RTA(Fwd) W/ RTA(Rvs)

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm RTA: After 5min with 95%N2,5%H2 in 400C

Hysteresis(W/O RTA)=170mV Hysteresis(W/ RTA)=120mV SS=125

SS=151

圖4-3 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後之 ID-VG曲線

46

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

Hysteresis(W/O RTA)=170mV Hysteresis(W/ RTA)=120mV

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

W/O RTA(Fwd)

NCFET HZO N-type W=400nm,L=40nm,H=20nm RTA: After 5min with 95%N2,5%H2 in 400C Hysteresis(W/O RTA)=170mV Hysteresis(W/ RTA)=120mV

G

M

(A/V)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(Fwd) W/O RTA(Rvs) W/ RTA(Fwd) W/ RTA(Rvs)

圖4-5 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後之 GM-VG曲線

47

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

Hysteresis(W/O RTA)=230mV Hysteresis(W/ RTA)=170mV

Drai n C urre nt (A)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(Fwd)

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

W/O RTA(Fwd) W/O RTA(Rvs) W/ RTA(Fwd) W/RTA(Rvs)

圖4-7 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後經過 5000 秒 HCI Stress 之 ID-VD曲線

48

0 1 2 3

0.0 5.0x10-6 1.0x10-5

1.5x10-5 NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm, H=20nm

HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

GM (A/V)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(Fwd)

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

Drain Cu rr ent (A)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(fresh) W/O RTA(5000s) W/ RTA(fresh) W/ RTA(5000s) SS=151

SS=156 SS=125

SS=134

圖4-9 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後 Fresh 與經過 5000 秒 HCI 之 ID-VG曲線比較圖

49

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:VG=VD=2.3V

RTA: After 5min with 95%N2,5%H2 in 400C

Drain Cu rr ent (A)

Drain Voltage (V)

W/O RTA(fresh) W/O RTA(5000s) W/ RTA(fresh) W/RTA(5000s)

1.5x10-5 NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm, H=20nm

HCI:VG=VD=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H2 in 400C

GM (A/V)

Gate Voltage (V)

W/O RTA(fresh) W/O RTA(5000s) W/ RTA(fresh) W/ RTA(5000s)

圖4-11 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後 Fresh 與經過 5000 秒 HCI 之 GM-VG曲線比較圖

50

1 10 100 1000 10000

0 4 8 12 16

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

SS (mV /dec )

Time (S)

W/O RTA(Fwd) W/O RTA(Rvs) W/ RTA(Fwd) W/ RTA(Rvs)

圖4-12 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後經過 5000 秒 HCI Stress 之 ΔSS-Time 圖

圖4-13 電子電動攻擊 H+示意圖

51

圖4-14 H+離子鍵結被打斷逸散到元件示意圖

1 10 100 1000 10000

-40 0 40 80

NCFET HZO N-type

W=400nm,L=40nm,H=20nm HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C

Hyster esis (mV )

Time (S)

W/O RTA W/ RTA

圖4-15 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後經過 5000 秒 HCI 之 Hysteresis-Time 圖

52

120 160 200 240

135 150 165

NCFET HZO N-type W=400nm,L=40nm, H=20nm

HCI:V

G=V

D=2.3V RTA: After 5min with 95%N2,5%H

2 in 400C W/O RTA W/ RTA

SS (mV /dec )

Hysteresis (mV)

圖4-16 鰭寬度 400nm 下 RTA 前後經過 5000 秒 HCI 之 SS-Hysteresis 分布圖

53

參考文獻

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通大學材料科學與工程研究所碩士論文

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