近日，IEEE國(guó)際可靠性物理會(huì)議（IEEE International Reliability Physics Symposium, IRPS）公布了2020年的獲獎(jiǎng)?wù)撐摹Ｕ憬髮W(xué)信息與電子工程學(xué)院趙毅教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的關(guān)于超小尺寸FinFET器件自熱效應(yīng)的研究榮獲最佳論文獎(jiǎng)(Best Paper Award)，這是來自中國(guó)的研究成果首次獲此榮譽(yù)。那么接下來請(qǐng)隨小編一起看看他們做的研究吧!

研究背景

為了進(jìn)一步縮小電子器件尺寸，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界自22nm起引入三維立體結(jié)構(gòu)的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）制造邏輯開關(guān)器件。不同于傳統(tǒng)平面硅基器件所具備的良好的導(dǎo)熱性能，這一特殊結(jié)構(gòu)會(huì)使晶體管工作時(shí)，溝道電流產(chǎn)生的熱量不斷積累，器件工作溫度升高，從而導(dǎo)致器件性能退化。在FinFET應(yīng)用之初，自熱效應(yīng)就已被認(rèn)為是未來的10 nm、7nm和5 nm這些技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的關(guān)鍵難點(diǎn)。而如今， FinFET已在高性能、低功耗的邏輯器件制造中有著廣泛的應(yīng)用，但嚴(yán)重的自熱效應(yīng)仍是影響器件穩(wěn)定性和可靠性的重要因素，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)持續(xù)縮進(jìn)，晶體管結(jié)構(gòu)中的側(cè)限和聲子散射開始制約溝道熱量散逸，其引發(fā)的溫度上升不僅加快了集成電路的老化與失效，也使讓電路的可靠性測(cè)試變得復(fù)雜。

近日，IEEE國(guó)際可靠性物理會(huì)議公布了2020年的獲獎(jiǎng)?wù)撐模憬髮W(xué)信息與電子工程學(xué)院趙毅教授團(tuán)隊(duì)在FinFET自熱效應(yīng)方面的研究成果論文“In-Situ Monitoring of Self-Heating Effect in Aggressively Scaled FinFETs and Its Quantitative Impact on Hot Carrier Degradation Under Dynamic Circuit Operation” 榮獲最佳論文獎(jiǎng)(Best Paper Award)，該論文第一作者為課題組研究生博士研究生曲益明，通訊作者為趙毅教授。這也是來自中國(guó)的研究成果首次獲此榮譽(yù)。

基本特性

趙毅教授團(tuán)隊(duì)曾于2017年IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議IEDM上發(fā)表了團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的電學(xué)特性表征系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用皮秒級(jí)脈沖電流-電壓掃描技術(shù)，成功捕捉了晶體管產(chǎn)熱和散熱的過程中漏極電流的變化，并評(píng)估了自熱效應(yīng)對(duì)電路中晶體管器件的熱載流子注入效應(yīng)的影響。

趙毅教授團(tuán)隊(duì)基于上述成果深度開發(fā)了超快速亞納秒測(cè)試系統(tǒng)，國(guó)際上首次對(duì)動(dòng)態(tài)電路下先進(jìn)FinFET器件的自熱效應(yīng)進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)，將所提取的瞬態(tài)溫度應(yīng)用到了器件可靠性退化行為的評(píng)估與模型建立中。

研究模型

本次研究中將多鰭SOI FinFET器件作為測(cè)試模型。在有著200nm厚度SiO2層的晶圓上制造22nm柵長(zhǎng)的FinFET晶體管，HfO2基柵介質(zhì)的等效氧化層厚度為0.9nm。為了抑制關(guān)-開過程中局部自熱的產(chǎn)生和傳播，采用了脈沖發(fā)生器對(duì)待測(cè)器件的柵極進(jìn)行脈沖偏置，其上升邊緣僅為20皮秒。

圖(a)多鰭SOI FinFET器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖(b)柵極脈沖波形圖；圖(c) 漏電流響應(yīng)波形；圖(d) SOI FinFET器件中單鰭的溫度分布。

部分測(cè)試結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置1.1V的應(yīng)力電壓以研究動(dòng)態(tài)電路下的熱載流子注入和偏置溫度不穩(wěn)定性，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見下圖：

偏壓溫度不穩(wěn)定和熱載流子退化對(duì)n型/p型FinFET器件的飽和漏極電流的影響

SOI FinFET與平面硅MOSFET的響應(yīng)漏極電流

上圖可看出，在施加?xùn)艠O電壓Vg后，漏電流曲線上出現(xiàn)了一個(gè)維持?jǐn)?shù)納秒的平峰（“peak plateau”），這表明從溝道溫度上升的過程需要幾個(gè)納秒的時(shí)間來完成。因此瞬態(tài)溝道溫度和漏極電流的關(guān)系可以近似看做Id與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系，見下圖。

組圖為獲得瞬態(tài)溫度值的過程示意圖

短冷卻時(shí)間和充足冷卻時(shí)間下的Vg-Id示意圖

在不同電路速度的 AC 信號(hào)下，原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)得到的 FinFET 晶體管溝道溫度變化

應(yīng)用前景

自熱效應(yīng)已經(jīng)成為10納米及更先進(jìn)集成電路節(jié)點(diǎn)中最為嚴(yán)重和最受關(guān)注的可靠性問題，趙毅教授團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究成果不僅對(duì)于器件研發(fā)有重要意義，也為電路設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電路時(shí)鐘和器件布局時(shí)提供了參考。小編也很期望看到本項(xiàng)成果能在未來先進(jìn)集成電路制造工藝中得到應(yīng)用，以提升電子器件的良率與可靠性，降低集成電路產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并延長(zhǎng)其壽命。

原文標(biāo)題：科研前線 |浙大趙毅團(tuán)隊(duì)關(guān)于超小尺寸FinFET器件自熱效應(yīng)研究論文首獲IEEE IRPS 2020最佳論文殊榮

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