新型纳米器件电学特性和可靠性的研究

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1、李名复教授黄大鸣教授张世理教授指导小组成员复旦大学微电子学系瑞典乌普萨拉大学复E大学博±}位*女目录1摘要ⅢAbstractV第一章引言l1微电子技术的发展趋势l2纳米MOSFET的电学特性13纳米MOSFET的BTI效应14基于碳纳米管网络的薄膜晶体管(CNrNoTFTs)15奉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21MOS器件的常规电学表征方法211电容一电压(C-V)测量23212直流廿％测量272l3直流电流电压(DClV)测量3I2l_4常规的电荷泵(CCF)测量3522快速脉冲，DI％(FPM)测量．4023改进的电荷泵滞(McP)

2、测量5324本章小结j6第三章纳米MOSFET的BTI效应5731MOSFET中栅舟质的电场强度5732BTI效应中州。和△K65321BTl效应中的“65322BTl效应中的6K683BTI效应中的AM。和地7131pMOSFET的NBn效应7132pMOSFET的PBT{效应733nMOSFET的NBTI效应7634nMOSFET的PBTI效应34本章小结第四章新型C3XIN-TFT的制备和电学特性8041CNN-m∞“§8142cNN—TFT的转移特性84421直流，旷吒测量和电滞回线84422常规脉冲，DI％测量和电滞回线86423空变脉冲七·％测量和

3、电滞回线的消除89424CNN-TFT的转移特性和SWCNT密度的关系43cNN胛的捌电容(岛)431CNN·TFT中氏的重要性92432CNN-TFT的C-V测量9343CNN-僻中cG的频率响应9643dCNN-TFT中cG与SWCNT密度的关系4CNN—TFT中载流子迁移率口的提取iH大学博±≠＆*i4lcNN．TFr中迁移率Ⅳ提取面临的挑战10242岳％电滞回线和栅电容cG对F的影响10343七随沟道长度的变化关系1054CI州-TFT的迁移辜Ⅳ⋯10845本章小结．109第五章总结与屉望⋯111参考文献。113攻读博士学位期间的论文发表情况125致谢

4、⋯127i!女#鹕±学＆ti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(B1asTcmperaturelnstabiliH或BTl)．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(CarbonNano札beNei'work-bascdThin．FilmTraasis觚或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

5、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B11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宄。本论文针对新型纳米器件的制各、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B11效应的恢复现象，我们建立了快速脉冲b．％测量(FatPulsedMeasurement或FPM)系统，用于表征应力过程中的阈值电压漂移(△K)：发展了改进的电荷泵(ModifiedChargePumping或MCP)方{去，用于准实时地测量应力下产生

6、的界面态(AM。)。(2)结合上述新型测量方法．我们系统地研究了纳米MOSFET的B_11效应．包括pMOSF盯的NBTI、pMOSFET的PBTI、aMOSFET的NBll和nMOSFET的PBll效应。(3)我们采用滴涂工艺和光刻技术，制备了CNN—TFTs。并且结合交变脉冲七．％和C—V测量方法，系统地研宄了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B11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

7、很重要，在建立BTI模型中必须加以考虑。(3)结合交变脉冲七．％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注。论文工作为新型纳米器件的$0各、电学表征、特性分析和可靠性研宄提供了新的方法、模型和结果，对新型纳米器件的研宄开发具有重要的科学意义和应用价值。iE★}*±}＆*i关键词：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，纳米电子器件，偏压温度不稳定性(BTI)，碳纳米管网络薄膜晶体管(cNN-TFD，有效栅电容t迁移率。中图分类号：TN

8、306，TN406AbstractTh