新型纳米器件的电学特性和可靠性研究

论文摘要

集成电路按照摩尔定律和按比例缩小的规律持续发展。在器件小型化的过程中,出现了许多新的问题。其中,纳米MOSFET的关键可靠性问题：偏压温度不稳定性（Bias Temperature Instability或BTI）,便是其中之一。另外,传统Si工艺正在接近物理极限。因此,各种新型电子器件应运而生。其中,基于碳纳米管网络的薄膜晶体管（Carbon Nanotube Network-based Thin-Film Transistors或CNN-TFTs）以其优良的电学性能、工艺可控性和独特的柔性引起了广泛关注。随着新材料、新工艺和新器件的开发,传统的电学测量手段在纳米器件的研究中也面临很多新的问题,例如BTI中恢复效应的准确表征,目前在国际上尚未很好地解决。除此之外,对新型纳米器件CNN-TFT的电学特性如栅电容和迁移率也缺乏深入的研究。本论文针对新型纳米器件的制备、表征方法、电学特性以及可靠性展开前瞻性的研究。具体内容包括：（1）针对纳米MOSFET中BTI效应的恢复现象,我们建立了快速脉冲ID-VG测量（Fast Pulsed Measurement或FPM）系统,用于表征应力过程中的阂值电压漂移（△Vt）；发展了改进的电荷泵（Modified Charge Pumping或MCP）方法,用于准实时地测量应力下产生的界面态（△Nit）。（2）结合上述新型测量方法,我们系统地研究了纳米MOSFET的BTI效应,包括pMOSFET的NBTI、pMOSFET的PBTI、nMOSFET的NBTI和nMOSFET的PBTI效应。（3）我们采用滴涂工艺和光刻技术,制备了CNN-TFTs.并且结合交变脉冲ID-VG和C-V测量方法,系统地研究了CNN-TFT的栅电容和转移特性。论文工作的主要结果有：（1）结合FPM和MCP两种方法,我们定量地区分了各种不同应力条件下,纳米MOSFET中界面态和氧化层电荷对BTI的贡献。（2）我们发现在BTI中,除了界面态的影响,氧化层电荷的俘获/释放效应也很重要,在建立BTI模型中必须加以考虑。（3）结合交变脉冲ID-VG和C-V测量,我们获得了无电滞特性的CNN-TFT的转移曲线,给出了器件栅电容随碳纳米管密度的变化关系。在此基础上,建立了一种提取CNN-TFT沟道迁移率的新的方法。论文工作为新型纳米器件的制备、电学表征、特性分析和可靠性研究提供了新的方法、模型和结果,对新型纳米器件的研究开发具有重要的科学意义和应用价值。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 微电子技术的发展趋势
• 1.2 纳米MOSFET的电学特性
• 1.3 纳米MOSFET的BTI效应
• 1.4 基于碳纳米管网络的薄膜晶体管（CNN-TFTs）
• 1.5 本论文的主要内容和安排
• 第二章 新型纳米器件的电学表征方法
• 2.1 MOS器件的常规电学表征方法
• 2.1.1 电容-电压（C-V）测量
• D-V_G测量'>2.1.2 直流I_D-V_G测量
• 2.1.3 直流电流电压（DCIV）测量
• 2.1.4 常规的电荷泵（CCP）测量
• D-V_G（FPM）测量'>2.2 快速脉冲I_D-V_G（FPM）测量
• 2.3 改进的电荷泵浦（MCP）测量
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米MOSFET的BTI效应
• 3.1 MOSFET中栅介质的电场强度
• it和ΔV_t'>3.2 BTI效应中ΔN_it和ΔV_t
• it'>3.2.1 BTI效应中的ΔN_it
• t'>3.2.2 BTI效应中的ΔV_t
• it和ΔV_ot'>3.3 BTI效应中的ΔN_it和ΔV_ot
• 3.3.1 pMOSFET的NBTI效应
• 3.3.2 pMOSFET的PBTI效应
• 3.3.3 nMOSFET的NBTI效应
• 3.3.4 nMOSFET的PBTI效应
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型CNN-TFT的制备和电学特性
• 4.1 CNN-TFT的制备
• 4.2 CNN-TFT的转移特性
• D-V_G测量和电滞回线'>4.2.1 直流I_D-V_G测量和电滞回线
• D-V_G测量和电滞回线'>4.2.2 常规脉冲I_D-V_G测量和电滞回线
• D-V_G测量和电滞回线的消除'>4.2.3 交变脉冲I_D-V_G测量和电滞回线的消除
• 4.2.4 CNN-TFT的转移特性和SWCNT密度的关系
• G）'>4.3 CNN-TFT的栅电容（C_G）
• G的重要性'>4.3.1 CNN-TFT中C_G的重要性
• 4.3.2 CNN-TFT的C-V测量
• G的频率响应'>4.3.3 CNN-TFT中C_G的频率响应
• G与SWCNT密度的关系'>4.3.4 CNN-TFT中C_G与SWCNT密度的关系
• 4.4 CNN-TFT中载流子迁移率μ的提取
• 4.4.1 CNN-TFT中迁移率μ提取面临的挑战
• D-V_G电滞回线和栅电容C_G对μ的影响'>4.4.2 I_D-V_G电滞回线和栅电容C_G对μ的影响
• D随沟道长度的变化关系'>4.4.3 I_D随沟道长度的变化关系
• 4.4.4 CNN-TFT的迁移率μ
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的论文发表情况
• 致谢