This dissertation focuses on the low frequency noise (LFN) and reliability in nanowire FETs and junctionless-accumulation-mode (JAM) FinFETs in order to investigate the feasibility for analog application. Recently, nano devices such as Fin structure and nanowire have been investigated as an alternative plan for improving electrostatics. But, there is much room in research on LFN and reliability in nanowire FETs and FinFETs structure for realizing and enhancing their characteristics. Our devices have been fabricated by both bottom-up and top-down approach. In bottom-up approach, nanowire FETs have been fabricated depending on interface engineering in InAs nanowire FETs and contact engineering in Ge nanowire FETs for enhancing the noise characteristics and realizing the governing noise mechanism. In top-down approach, high-k/metal gate stack were utilized for JAM FinFETs whose LFN and hot-carrier degradation have been investigated for understanding the origin of the LFN mechanism and hot-carrier degradation mechanism. After understanding hot-carrier degradation, ten-year life times have been extracted by the accelerating tests.
Indium-arsenide (InAs) nanowire (NW) transistors exhibited improved DC and low frequency noise (LFN) characteristics with tri-methyl aluminum (TMA) treatment. We have substituted native oxide on InAs NW with aluminum oxide by TMA treatment which exploits self-cleaning mechanism, and it resulted in improving bulk oxide and semiconductor/oxide interface quality. With TMA treatment, normally-off InAs NW transistor was achieved, and its sub-threshold voltage was enhanced. Normalized drain-current noise power spectral density was improved in all operating ID region. Moreover, the origin of the LFN mechanism was changed from carrier number fluctuation (CNF) only to number fluctuation of charge carriers correlated with mobility fluctuation which considers correlated mobility fluctuation (CMF) resulting from Coulomb scattering by trapped charges in the oxide.
Germanium nanowire junctionless (GeNW-JL) metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistors (MOSFETs) exhibited enhanced electrical performance with low source/drain (S/D) contact resistance under the influence of Ar plasma treatment on the contact regions. We found that the transformation of the surface oxide states by Ar plasma treatment affected the S/D contact resistance. With Ar plasma treatment, the germanium dioxide on the GeNW surface was effectively removed and increased oxygen vacancies were formed in the suboxide on the GeNW, whose germanium-enrichment-surface was obtained to form a germanide-contact at low temperature. After a rapid thermal annealing process, Ni-germanide-contacts were formed on the Ar-plasma-treated GeNW surface. Ni-germanide-contact resistance was improved by more than an order of magnitude compared to that of the other devices without Ni-germanide-contact. Moreover, the peak field effect mobility value and on-off current ratio were dramatically enhanced due to Ar plasma treatment. The Ar plasma treatment process is essential for forming uniform Ni-germanide-contacts with reduced time and low temperature. It is also crucial for increasing mass productivity and lowering the thermal budget without sacrificing the performance of GeNW-JL MOSFETs.
The origin of the low frequency noise (LFN) and channel hot-carrier (CHC) degradation mechanism were studied in detail. Normalized drain-current noise power spectral density and its degradation by positive substrate bias of SiGe-channel p-type JAM Bulk FinFETs with hafnium dioxide and TiN metal gate stacks were simultaneously lower than those of the Si-channel devices. Coulomb scattering by trapped charges in the high-k oxide of SiGe-channel devices plays an important role in the high current region. Hot-holes injection was dominant mechanism for both SiGe and Si devices instead of hot-electron (HE) injection in operating voltage region. The ten-year life times under CHC stress of the SiGe-channel devices and Si-channel devices were extracted. It was one of the promising devices well suited for analog applications having back bias and hot carrier stress immunity.
As a conclusion, we successfully demonstrated devices such as InAs nanowire FETs, Ge nanowire FETs and JAM FinFETs with Si and SiGe-channel materials. Interface engineering is crucial for better noise characteristics and bulk conduction is a quite advantageous circumstance for low noise analog application.
본 논문은 나노선 소자와 무접합 축적 방식의 핀펫 소자의 아날로그 적용 실효성을 검증하기 위하여 저주파 노이즈 및 신뢰성에 관하여 집중적으로 연구하였다. 최근 핀구조와 나노선 구조는 소자의 전기적 특성을 향상시키기 위한 대안으로 연구되었다. 하지만 아직까지 나노선 소자와 핀펫 소자의 저주파 노이즈 및 신뢰성에 관한 심도있는 연구에는 많은 공백이 존재한다. 본 연구에서는 상향식 공정 및 하향식 공정의 두가지 방식으로 소자를 제작하였다. 비화인듐 나노선 소자의 계면 기술을 통하여 노이즈 특성을 향상시키는 것에 관한 연구와 게르마늄 나노와이어 소자의 금속 접촉 기술을 통하여 전기적 특성을 향상시키는 것에 관한 연구의 공정은 상향식 방식으로 진행하였다. 하향식 방식으로 제작된 고유전율 물질 게이트 절연체와 금속 게이트 적층으로 이루어진 무접합 축적 방식의 핀펫 소자의 저주파 노이즈 특성 및 신뢰성에 관한 연구는 저주파 노이즈의 메커니즘과 열전하에 의한 열화 메커니즘을 밝히는데 집중되었고 공정은 하향식 방식으로 진행하였다. 열전자에 의한 열화 메커니즘을 밝히고 가속 실험을 통하여 소자의 기대수명을 추출하였다.
비화인듐 나노선 소자의 직류 특성과 저주파 노이즈 특성은 TMA 처리에 의하여 동시에 향상되었다. 비화인듐 나노선 소자의 원래부터 존재하는 절연체는 TMA 처리과정에서 자체적 정화 메커니즘에 의하여 제거되었고, 그 결과 절연체의 내부뿐 만 아니라 절연체와 반도체 사이의 계면 특성도 향상되었다. TMA 처리에 의하여 보통의 상태에서 소자는 꺼져 있는 증가형 소자 특성을 나타내었고, 문턱 전압 이하에서의 기울기는 향상되었다. 정규화된 드레인 전류 노이즈 전력 스펙트럼의 밀도는 모든 드레인 전류 영역에서 향상되었다. 게다가 저주파 노이즈의 메커니즘의 기원은 전하 개수 변동에서 절연체 안에 트랩된 전하에 의한 쿨롱 산란 결과에 의한 모빌리티 변동을 동반한 전하 개수 변동으로 변화 하였다.
게르마늄 나노선 소자의 금속 접촉 부분에 아르곤 플라즈마 처리에 의해 형성된 낮은 소스/드레인 접촉 저항에 의하여 소자 특성이 향상되었다. 계면 절연체의 상태 변성이 소스/드레인 접촉 저항에 영향을 주었다. 아르곤 플라즈마 처리에 의하여 게르마늄 나노선에 존재하는 이산화 게르마늄 절연체는 효과적으로 제거되었고, 이산화물 게르마늄 이하 상태의 절연체에 산소 결핍 현상이 두드러졌고 이런 표면 상태가 낮은 온도에서 저마나이드 접촉을 형성하는데 도움이 되었다. 급속 열처리 과정 후에 아르곤 플라즈마 처리된 게르마늄 나노선 위에 니켈 저마나이드 접촉이 형성되었다. 니켈 저마나이드 접촉 저항은 원래 소자의 열배 이상 감소하였다. 게다가 가장 높은 전계 효과 이동도는와 온전류 오프전류비는 극적으로 향상되었다. 아르곤 플라즈마 처리는 낮은 온도에서 짧은 시간동안 니켈 저마나이드 접촉을 균일하게 형성하는데 꼭 필요하다. 이는 게르마늄 나노선 소자의 특성을 잃지 않고 대량 생산을 늘리고 열적 비용을 낮추는데 중요하다.
저주파 노이즈와 열전하 열화 메커니즘의 기원에 대하여 자세한 연구가 진행되었다. 실리콘 게르마늄 정공 채널 형태의 무접합 축적 방식 벌크 핀펫소자의 정규화된 드레인 전류 노이즈 전력 스펙트럼의 밀도와 기판 전압에 의한 그것의 열화는 실리콘 정공 채널 형태의 소자보다 낮았다. 고유전율 절연체에서의 트랩된 전하에 의한 쿨롱 산란은 실리콘 게르마늄 채널 소자의 높은 전류 영역에서 중요한 역할을 한다. 열정공 주입은 실리콘 게르마늄과 실리콘 소자에서의 지배적인 메커니즘이다. 채널 열전하 스트레스에서 실리콘 게르마늄 소자와 실리콘 소자의 기대 수명을 추출하였다. 본 소자는 기판 전압과 열전하 스트레스에 강하므로 아날로그 적용을 위하여 유망한 소자 중에 하나이다.
결론적으로 비화인듐 나노선, 게르마늄 나노선 기반의 소자와 무접합 축적 방식 핀펫을 성공적으로 제작하였다. 계면 기술은 우수한 노이즈 특성을 위하여 꼭 필요하고 벌크 전도 방식은 낮은 노이즈 특성을 가지는 아날로그 적용에 적합하다.
