y- 超薄薄膜FD SOI MOSFET的低温行为的功能分析

摘要

超薄主体（UTB）和栅极凹槽（GRC）装置的相应传递特性，共享相同w / l.在300k和77k下分别测量了46 nm和2.2 nm的通道厚度。通过降低温度，我们发现这些器件的电学行为完全相反:如果UTB器件的电导率增加，GRC的电学行为则相反。低场电子迁移率和串联电阻使用基于的方法提取值y-两个温度的函数。如果找到了UTB，非常高的值（> 1）被提取为GRC。令人惊讶的是，对于最后一个设备，有效的现场移动性非常低（<1）通过降低温度来降低。在讨论了该分析的限制之后。本案例研究说明了该案例研究y- 分析鉴别纳米级装置的巨大相关性的参数，并给出了异常电气行为的相干解释。

1.介绍

这y-提取参数的方法，首次发布于20多年前[1]目的是分离源/漏极串联电阻（)受固有通道迁移率因素的影响。该方法依赖于漏极电流和跨导传递特性的结合，使阈值电压的可靠值成为可能[2]，低场移动性以及移动性衰减系数获得的。随着时间的推移，该方法与以前的方法保持一致，避免了二阶导数过程，因此适用于微电子行业的在线参数测试提取[3.]．还改善了克服常规技术遇到的困难[4.]并应用于具有纳米级双栅极晶体管的架构的更复杂的设备[5.]并完全耗尽的SOI MOSFET高 -和金属门[6.]并在饱和度方面的设备[7.]．这种智能技术还允许提取栅电压对串联电阻的依赖性[8.]．

MOSFET的一般行为的低温研究[9.-12.]，有效的流动性[13.-15.]和源/漏极串联电阻[16.)的研究开始于20年前，当时这些研究的重点仍然集中在大块硅晶体管上。随着时间的推移，一些有用的模型和定律被发展来处理这些MOS器件。例如，从液态氦到室温硅MOS晶体管的漏极电流建模的一个广义定律被开发出来[17.]以及参数提取的方法，其定向为非常低的温度[18.]．

由于SOI技术对高性能和低功耗的应用（低漏电流，闩锁消除，高软误差免疫，较小的Subtheshold Swing，降低的寄生电容，简单的设备结构和工艺等）非常有吸引力。类似在专注于操作模式时，在SOI MOSFET上启动低温研究和深度分析[19.那20.]，阈值电压[21.那22.，加剧了自热现象[23.[参数'提取[24.那25.]．

由于溶胶结构中存在的特定机制，SOI晶体管的低温性能与散装装置的低温性质不同。该装置在高温范围内部分耗尽（PD），在低温范围内变得完全耗尽（FD）。减少当硅膜的完全耗尽是防止渗出区域的进一步延伸时发生低温的斜率[21.]．因此，大幅减少了变化的  由于抑制了耗尽电荷随温度的变化，可以在完全耗尽的SOl MOSFET中实现。

在本文中，我们通过比较超薄主体（UTB）和栅极凹槽（GRC）器件来介绍FD-SOI MOSFET的低温串联电阻的影响和行为。使用参数提取使用，使用阈值电压以上执行y- 功能。这旨在解释GRC设备在室温和77 K之间的异常传输行为。本研究完成了我们之前的作品，我们首先证明了串联电阻的栅极依赖性（）在此设备中，使用Classic一世-V.建模[26.] 和-和C-V.技术[27.-29.]，并使用了y参数提取的函数方法[30.]测定室温的结果。

2.设备处理和TCAD模拟

采用croslight Software公司的商用三维TCAD工艺模拟器(Csuprem)模拟了层的沉积过程。31.]根据我们使用的真实过程条件，我们以前发布的我们使用的设备[32.]．具有46nm厚体和通道的超薄主体（UTB）装置的模拟3D结构w / l.10(80)之比μ米/ 8μm）并用作参考装置的图表1（a）。在图中1（b），我们展示了由栅极凹陷过程获得的4.6nm厚通道的模拟3D结构，即，具有相同的栅极凹陷通道（GRC）设备W.和L.值。如上所述在上插入有源区（源极，栅极和漏极端子）被垂直轴线中的铝触头（层10）终止，并且通过水平轴线中的场氧化物（层07）边界限制。掩埋氧化物（层02）用作体硅（层01）和栅极凹入硅通道（层03）之间的屏障。

图的较低插入物1（b）表示栅极凹道的缩放，当硅层从46nm变薄至4.6nm时。该凹陷过程的优点在于，其中仅硅通道在源极和漏区和它们各自的延伸部保持在其原始（主体）厚度时。除了图1，在总结表中给出了在模拟器中使用的大部分工艺参数的补充列表1。GRC和UTB设备在TCAD中建模，通过应用于其物理结构中使用的几乎相同的过程参数。

3.电学特性与分析

3．1．实验设置和条件

使用来自Keithley Ltd.的半导体表征系统（SCS-4200），一世-V.首先在室温下进行测量（= 300 k，暗条件）以确认测量晶体管的功能。从专门为实验专为实验设计的杜瓦尔内部的冷手指支撑件中插入了器件。两个都和（从MOS标准开始测量每个设备的斜率）特性曲线检查标准功能。功能筛选步骤通过后，温度缓慢降至77 K。稳定时间是需要的，以确保正确的读数，在真空室的温度被设置酒吧。由于分析的重点是栅极电压范围，高于阈值电压，以及上y本文对-函数参数提取方法、各自的线性传递特性进行了深入研究和比较。

3.2。阈值电压和移动性提取使用y函数

这与在线域中测量传递特性（范围为0至+7 V），即，对于两个低漏极电压值（）：0.05 V和0.1 V及更高各自的阈值电压。在图中2（a）和2 (b)，这些特性分别以300k（室温）和77k（液氮）的UTB装置（46nm通道厚）的线性刻度呈现。在图中2 (c)和2 (d)，将相应的特性分别以300k和77k分别呈现GRC器件（2.2nm通道厚）。如图所示2（a）和2 (c)，GRC的漏极电流以300k测量（用于= 7 V)比相同温度下的UTB的测量值低3个数量级。但是在77k时，如图所示2 (b)和2 (d)，这一比率几乎达到了5个数量级。如此巨大的电流衰减不一定与电子迁移率的倾倒有关，但可能与沟道减薄(栅极凹进过程)期间出现的巨大串联电阻有关。为了区分串联电阻对阈值电压和电子迁移率等固有器件参数提取的影响，常用的方法是采用基于电阻的提取方法y- 功能分析。重要的是要注意那个数字2 (d)和3（d）（resp。，的特点和y-函数图)在各自的曲线上显示了GRC器件的一些波动步骤= 77 K。

这y-Method由GhibAudo首次介绍[1]有利息与串联电阻效应分开了内在渠道传导的各自贡献。然而，该技术通常需要具有不同通道长度的一组设备。作为一种新颖的，我们提出，在上一项工作中[30.]，通过改变漏极电压将该方法应用于具有单通道长度值的器件在整个线性模式下。在这种情况下，我们应该考虑/2逆温层势的贡献(）.因此,y- 功能表示如下：

假设 在哪里

和是低现场电子迁移率是“内在的”流动性退化因素。通过有效的移动性，由经验关系给出

这里我们不需要考虑二级退化因子，不像[5.那8.]，因为我们的设备的氧化当量厚度足够大，以避免这样的术语。

这图可以直接从特征，如图所示3(一个)和3 (b)对于300 k和77 k的UTB。在图中3（c）和3（d）那分别为300k和77k时的GRC。我们可以看到，对于正数值,y- UTB几乎是线性的，但显着弯曲较高在77k时的GRC值。此外，斜坡依赖于UTB，但几乎独立于GRC。

由于斜坡不是纯常数特别是对于GRC的设备，我们将考虑最大值-lope（）作为范围 [30.]．所以，我们可以提取阈值从截距的切断y函数与轴，根据以下内容：

低现场电子迁移率也可以从斜率参数中提取（） 的y- 使用以下等式的功能： 在哪里

对于GRC型器件，前栅极电容（）值为138 nf / cm²，对于26nm前栅极氧化物（GOX）厚度。为了UTB.值略低（121 nf / cm²）由于38nm厚的氮化物层覆盖栅极区域中的焊盘氧化物。

提取的值和获得了在= 0.05 V和= 0.1 V条件在表中平均和总结2。

请注意，UTB和GRC都是消耗模式设备在300k(负为类型通道)。从表格2，我们可以看到，UTB的阈值电压和低场电子迁移率通过降低温度从300 K到77 K强烈增加。相反，GRC的阈值电压和低场电子迁移率都通过降低温度从300 K到77 K而降低。

如果，对于UTBS，提取值与基于硅的设备中的预期值类似，对于GRC设备，相应的设备值很低，与这种完全耗尽SOI MOSFET的测量值不一致[33.]．

3.3。串联电阻提取与使用X- 变量功能V._DS.

通过引入串联电阻在 （2）并假设，我们得到了经典的表达式 在哪里是“外在”移动性降解因子，包括串联电阻

迁移率降解因子可以计算使用-函数定义在[5.]

就像y-功能，不是纯粹的线性函数特别是对于GRC的设备。因此，我们考虑作为最大值的- 功能斜率（）.所以，根据(10.),值可以通过以下方式提取:

自是依赖，从以前看y函数分析，我们可以作图与根据 （9.)为不同的值。在我们的例子中,只是这个情节的斜坡，而且为线性拟合与垂线的交点()轴。如果在图表，如GRC的所观察到的点是最佳选择，以获得相干的正值。提取的值总结在表中3.。

对于UTB器件，串联电阻当温度从300 K降低到77 K时，降低了2倍，而对于GRC，增加了一个5.此外，而且在温度下为77 k和GRC找到负面。

从上面的等式中，还可以提取分析表达作为功​​能使用产品如下：

计算由（12.） 使用表中的参数值3.如图所示4.用于UTB和GRC设备，300 k和77 K.

作为第一个观察，它看起来从数字中出现4（a）至4（d）那个小数值(0.05 V和0.1 V)不会影响串联电阻行为，因为在300 K和77 K温度下曲线几乎匹配。

用于UTB设备，在中等的栅极电压过速下(例如，=100Ω= 300 k与你=10Ω= 77 k，对于= 3 V)。GRC器件观察到相反的现象（= 1.75 MΩ at= 300 k与你=10mΩ= 77 k，对于= 3 V)。在所有情况下发现串联电阻率降低（<4 V）较高价值观，被发现增加。

4.解释和讨论

4.1。低温下阈值电压的行为

根据表格2，对于UTB设备负斜率温度（=−2.7 mV/K)可以与费米电势随温度的线性下降有关，这已经在完全耗尽(FD)和部分耗尽(PD) SOI MOSFET中观察到[34.]．然而，对于GRC，阈值电压几乎不敏感到意外的温度。在 [34.]， 这发现FD的斜率低于沟道厚度上的PD，这意味着用于更薄的通道对于我们的GRC设备看到的温度不太敏感。

先前对低温下超薄FD-SOI MOSFET器件的研究提出了用量子效应解释电行为的方法[33.那35.]．例如，据报道，用于频道厚度当操作温度从房间降低到低温时，= 30nm，阈值电压并且亚阈值斜率增加。清楚地报道，漏极电流和跨导的波动是由于在77k的工作温度下发现的量子 - 机械现象[36.]．在SOI薄膜中，阈值电压稳定增加= 6nm，由于量子效应的发生。如上所述，在我们的情况下，设备频道厚度是= 2.2nm，所以我们可以假设，作为第一种方法，这种机制可能负责观察到的变化。

波动步骤，观察到特征（图2 (d)），被突出y- 功能曲线（图3（d）)，因为它们是由前一个特性的导数得到的。这种阶跃现象已经被报道为通道具有的量子效应= 30 nm [36.]．波动的波动表明一些振荡的特征和在亚阈值电流区域被认为对应于库仑封锁[19.[由于大的下降期的组合，并且局部粗糙度将导致通道内的耦合屏障。

4.2。低温下低场移动性的行为

根据表格1，我们注意到，对于UTB，电子低场迁移率靠近300 k的散装硅值（1300厘米²/ vs）但远低于77 k的散装值（7560厘米²/ vs）。增加由于硅中晶格声子散射的冻结，在这个温度范围内载流子迁移率的经典行为是一致的[37.]．

然而，对于GRC器件，电子场迁移率低对于两个温度的这种器件中的数据相比，值异常低地发现值[5.那8.那33.]．此外,不像UTB,发现随着温度的降低而降低。

从表格2，我们看到了在77k时的UTB值被发现是令人惊讶的负值，但相对于，对于300k和77k的GRC。然而，根据Mclarty等人的关于SOI MOSFET的早期研究，已经观察到这种令人惊讶的结果。[38.]．可以争辩说二阶依赖可能对非线性负责y- [38.最近克罗斯等人更新。[5.]．这种方法对于非常薄的栅极氧化物(<10 nm)是有效的，因为界面散射是一个主要问题，因此迁移率在顶部界面比在底部界面更容易退化，这表明缺陷在顶部通道区域更多[39.]．但在我们的情况下，由于我们的设备的相对厚厚的氧化氧化物层（25nm），后一种考虑不相关，所以我们可以将我们的分析限制为第一个顺序对适度值的依赖性。报告了另一种解释[35.]，源漏区域的处理也可能在源漏区域附近附加散射中心的原点处。所有这些观察结果使我们得出结论，电子迁移率提取使用y- 在两个温度下，UTB在77 k下没有物理相干，也不适用于GRC。

4.3。低温串联电阻的行为

众所周知，长通道MOSFET的场效应流动性（10 μM）可以受到额外串联电阻的强烈影响[16.]．这在低温下尤其重要，因为在低温下，通过提高迁移率来降低通道电阻。自和都是器件建模的关键参数，在过去的几十年里有许多关于室温和低温的研究发表[24.]．

LDD器件最初观察到串联电阻依赖于栅极电压[40]也适用于非ldd设备[41.]．同时，对于短沟道设备，电气有效通道长度（）减少，发现还取决于栅极电压。但是对于我们所有的设备，通道足够长（8 μM)，则短通道效应为先验在我们的研究中可以忽略不计。然而,自找到参数依赖的，不期望来自(6.）对于长通道设备，事实证明，设备传导可能实际上连接到短沟道效果。

从表格3.和图4.，我们观察到UTB系列电阻的因素2增加当将温度从300 k降低到77k时。此趋势也被批量观察到场效应管(24.]．的确，在150k以下，掺杂杂质的冻结效应导致寄生串联电阻的增加，如[25.]．这种效应在LDD和耗尽模式设备中尤其增强[42.]．

最近报道了通过降低温度的低现场迁移性的降低36.]对于具有子100nm通道长度的纳米CMOS器件。所有这些观察结果加强了对GRC的解释，即，传导可能不再受通道反转来控制，而是通过巨大的串联电阻筛选[26.-30.]．

我们可以通过考虑GRC通道边缘的瓶颈区域作为寄生短通道晶体管来解释串联电阻效应，这些短通道晶体管由栅极的边缘场控制。串联电阻增加的另一个原因可能是由于栅槽过程中源/漏的横向扩散导致漏/漏延伸区的掺杂浓度增加。

4.4。提取法在高处的局限性V._GS

在一边，Emrani等人。报告一般y- 功能,在那里根据温度是一种经验系数。报告的值是在…范围内= 200 - 300k和在= 4.2 k（液氦）同时是80 k的最佳值[15.那17.]．在另一边，Simoen等人。[24.]使用类似的分析并找到对于77k和为= 300k的MOS器件具有高阻硅衬底。的变化数值归因于散射过程的变化。的确，如果在室温附近声子散射占主导地位，那么在低温下，低横场和高横场的界面电荷库仑散射和表面粗糙度散射则分别占主导地位[33.]．但是，对于高电阻器件，温度的影响价值很小，这表明散射机制仍然是由窥探散射的主导。

在我们的情况下，对于GRC的设备，第一订单分析（对应） 的y- 功能导致电子迁移率的相干性差异，也导致在高横向场上。然而，在300 k下，它允许歧视流动性的贡献与良好程度的信心。这导致确认栅极电压依赖性串联电阻在两个温度下的主要作用。

结论

y基于一阶分析的-函数方法可以有效地解释超薄体(UTB)和栅槽(GRC)器件在低温下的截然相反的电行为w / l.比率但具有沟道厚度分别为46nm和2.2 nm。随着温度的降低，UTB的表观电导率增加;GRC则相反。这种现象通常不会在类似的FD-SOI MOSFET器件中观察到，可以解释为大量串联电阻的存在，当由于掺杂剂的冻结而降低温度时，串联电阻会增加。我们得出结论，对于中等横向场，串联电阻萃取比电子迁移率萃取具有更强的物理相干性。没有y- 功能分析我们将结束这种装置的电子迁移率的不连贯的低值和行为。最后，这种情况研究可能对科学界有用作为解释纳米级设备的非共同电气特性的指导。

利益冲突

作者没有与本文相关的利益冲突。

承认

作者愿意为TCAD模拟工作承认Albert Ciprut。

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