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FinFET中BTI效应与1/f噪声相关性的深度剖析与研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着信息技术的飞速发展，半导体器件的性能不断提升，尺寸持续缩小。FinFET（鳍式场效应晶体管）作为一种新型的场效应晶体管结构，自2011年英特尔率先将其引入22纳米制程芯片制造以来，凭借其独特的三维结构优势，在半导体领域得到了广泛应用。FinFET的沟道像鱼鳍一样垂直于衬底，栅极能够从三个方向环绕沟道，这一结构增强了栅极对沟道的控制能力，有效抑制了短沟道效应，降低了漏电流，提升了器件的性能和集成度，使得芯片在更小的尺寸下能够实现更高的运算速度和更低的功耗。从22纳米到如今的7纳米、5纳米甚至更先进的制程，FinFET工艺在推动半导体技术进步方面发挥了关键作用。

然而，随着FinFET器件尺寸的不断缩小，偏置温度不稳定性（BTI）效应和1/f噪声等问题逐渐凸显，严重影响了器件的性能和可靠性。BTI效应是指在施加偏置电压和温度应力的条件下，器件阈值电压发生漂移的现象，它会导致器件的性能参数发生变化，如跨导、阈值电压等，进而影响整个电路的性能。对于PMOS器件，会出现负偏置温度不稳定性（NBTI）效应，NMOS器件则会出现正偏置温度不稳定性（PBTI）效应。在高密度的SRAM应用中，BTI效应会严重影响staticnoisemargin（SNM）和writenoisemargin（WNM）。1/f噪声，又称闪烁噪声或低频噪声，其功率谱密度与频率成反比，在低频段尤为显著。在微小尺度的半导体元件中，由于表面和界面缺陷增多，1/f噪声对电路性能的影响愈发明显，它会限制模拟电路的精度和动态范围，影响数字电路的信号完整性和可靠性，例如在射频电路中，1/f噪声会导致相位噪声增加，降低通信系统的性能。

研究FinFET的BTI效应与1/f噪声的相关性具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，深入探究二者的内在联系，有助于进一步完善半导体器件物理理论，为器件的优化设计提供坚实的理论基础。从实际应用角度出发，准确掌握BTI效应与1/f噪声的相关性，能够为电路设计提供更精准的噪声预测和可靠性评估方法，有助于工程师在设计阶段采取有效的措施来降低噪声影响，提高器件和电路的性能、稳定性与可靠性，从而满足现代电子设备对高性能、低功耗和高可靠性的严格要求，推动半导体技术在计算机、通信、人工智能等众多领域的持续发展。

1.2国内外研究现状

在国外，对于FinFET的研究起步较早，取得了一系列丰富的成果。在BTI效应研究方面，科研人员深入探讨了BTI效应的物理机制和影响因素。有研究表明，BTI效应与器件中的缺陷生成和电荷捕获有关，在不同的应力条件下，缺陷的生成速率和电荷捕获机制会有所不同。通过对10nmFinFETBTI效应及其变化的实验研究，考虑了局部布局效应，发现尽管10nm相比14nmFin形状进一步优化，但BTI及其变化与前一节点无明显差异。在1/f噪声研究领域，对1/f噪声的产生机制和特性进行了大量研究。有学者基于Hooge理论提出了双栅极FinFET在弱反型区的1/f噪声模型，通过评估栅极下的载流子总数来推导Hooge参数。针对FinFET的自热效应会影响其1/f噪声特性的问题，提出了新的1/f噪声模型以适应由于自加热引起的器件温升。

在国内，随着半导体技术的快速发展，对FinFET的研究也日益深入。中科院微电子研究所刘明院士团队开发了一个统一的物理和统计紧凑模型，可以预测BTI对不同工艺节点（低至14nm）的器件及电路的影响，该模型基于2/4态的缺陷中心理论，通过TCAD仿真验证和实验校准，成功嵌入BSIM-CMG用于器件及电路的动态时间演化和动态电压缩放分析。在1/f噪声研究方面，有研究系统地探究了14纳米FinFET器件的1/f噪声特性，发现缩小器件通道面积或降低环境温度可以有效地增加器件的1/f噪声密度，这对提高随机计算（SC）系统的准确性和简化随机数生成器电路的复杂度具有重要意义。

然而，目前国内外对于FinFET的BTI效应与1/f噪声相关性的研究还相对较少。虽然已经认识到BTI效应和1/f噪声都会对器件性能产生影响，但对于二者之间的内在联系和相互作用机制尚未完全明确。大多数研究往往单独考虑BTI效应或1/f噪声，缺乏将两者结合起来进行深入分析的系统性研究。这导致在实际的器件设计和电路应用中，难以全面有效地评估和解决由BTI效应和1/f噪声共同带来的问题。因此，开展FinFET的BTI效应与