集成电子学(第四章)

第四章 纳米CMOS器件中的栅工程 纳米CMOS器件中的栅工程
• 栅电极层、栅介质层和Si衬底构成的 栅电极层、栅介质层和 衬底构成的 衬底构成的MIS结 结 构称为栅结构。 构称为栅结构。 • 其中栅电极层的功函数、栅介质层的厚度、 其中栅电极层的功函数、栅介质层的厚度、 介电常数、 介电常数、介质层电荷及界面缺陷态度等 因素直接决定着CMOS器件的特性。 器件的特性。 因素直接决定着 器件的特性 • 栅电极层为重掺杂的多晶硅和硅化物的复 合结构，栅介质为高质量的热氧化SiO2，其 合结构，栅介质为高质量的热氧化SiO 氧化层电荷和界面缺陷态密度均很低。 氧化层电荷和界面缺陷态密度均很低。
通过MIS的电流 通过MIS的电流
较厚氧化层时热载流子注 强场下的F-N(Fowler-Nordheim)遂穿 遂穿 强场下的 薄氧化层时和低电场下的直接遂穿 对于超亚微米MOSFET,当栅氧化层的厚度 当栅氧化层的厚度 对于超亚微米 缩小至3nm以后 直接隧穿产生的栅电流将成 以后,直接隧穿产生的栅电流将成 缩小至 以后 为影响器件性能的主要因素. 为影响器件性能的主要因素
• 研究表明 在SiO2中引入氮 研究表明.在 中引入氮(N)\可以抑制硼的扩散。 可以抑制硼的扩散。 可以抑制硼的扩散 气氛中氧化生长的SiO2作 示出了利用在N 气氛中氧化生长的 图4-6示出了利用在 2O气氛中氧化生长的 示出了利用在 为栅介质层制成的‘ 电容样品的C-V特性曲 为栅介质层制成的‘MOS电容样品的 电容样品的 特性曲 线。 • 除了栅介质层的差别外，其余的条件均与图 中 除了栅介质层的差别外，其余的条件均与图4.5中 的相同。 的相同。 • 由图可见，随着退火时间的增加 样品间 由图可见，随着退火时间的增加.样品间 样品间C-V特性 特性 曲线的正向移动减小，退火10秒和 秒的样品相比. 秒和1秒的样品相比 曲线的正向移动减小，退火 秒和 秒的样品相比 平带电压的移动约为30mV。 平带电压的移动约为 。 • 可知在二氧化硅中引人氮以后，硼扩散带来的影 可知在二氧化硅中引人氮以后， 响减小， 响减小，硼的扩散得到抑制 。
• 当采用高介电常数介质等非二氧化硅材料时，通 当采用高介电常数介质等非二氧化硅材料时， 常采用等效氧化层厚度EOT表示栅介质层厚度 ox 表示栅介质层厚度t 常采用等效氧化层厚度 表示栅介质层厚度 • CETinv对应于 对应于MOSFET反型时的等效电容厚度， 反型时的等效电容厚度， 反型时的等效电容厚度 有 CETinv=EOT+tqm+tdp • CETacc对应于 对应于MOSFET积累时的等效电容厚度， 积累时的等效电容厚度， 积累时的等效电容厚度 有 CETacc=EOT+tqm
பைடு நூலகம்
平带电压
• 1、功函数 费米能级的电子逸出体外所需的能量。 费米能级的电子逸出体外所需的能量。 、功函数—费米能级的电子逸出体外所需的能量 • 2、电子亲和能 半导体中导带底的电子逸出体外 电子亲和能—半导体中导带底的电子逸出体外 所需的能量。 所需的能量。 • 3、接触电势差 金属费米能级与半导体费米能级 接触电势差—金属费米能级与半导体费米能级 的差。 的差。 • 对MIS结构，其金属和半导体之间的功函数差仅由 MIS结构 结构， 金属和半导体决定。 金属和半导体决定。由于通常金属和半导体的功 函数不同， 函数不同，而在平衡系统中费米能级必须保持平 因此必将引起能带的弯曲。 直，因此必将引起能带的弯曲。 • 弯曲的大小由栅电极和半导体间的功函数差决定。 弯曲的大小由栅电极和半导体间的功函数差决定。
• 能带弯曲分别为： 能带弯曲分别为： 型半导体） φms = φm − ( xs + Eg / q + φF ) （n型半导体） 型半导体） 型半导体 φms = φm − ( xs + Eg / q − φF ) （p型半导体）
φm 是栅电极的功函数，χ 是半导体材料的亲和能， 是栅电极的功函数， s是半导体材料的亲和能，
• 栅介质、栅电极、Si沟道之间的两个界面厚度通 栅介质、栅电极、 沟道之间的两个界面厚度通 常在几个埃的数量级，是栅电极、栅介质和Si沟 常在几个埃的数量级，是栅电极、栅介质和 沟 道之间材料的过渡。 道之间材料的过渡。 • 当界面层的厚度与栅介质层的厚度接近时，界面 当界面层的厚度与栅介质层的厚度接近时， 层将直接影响总的栅电容的大小， 层将直接影响总的栅电容的大小，从而影响着 MOSFET器件的性能。这些界面层还可以加以利 器件的性能。 器件的性能 用以获得某些所需的作用。 用以获得某些所需的作用。 • 栅介质层：热氧化硅（SiO2）——新型栅介质材 栅介质层：热氧化硅（ 新型栅介质材 料如氮化二氧化硅材料。 料如氮化二氧化硅材料。 • MIS结构中栅介层的厚度tox决定了单位面积栅电 MIS结构中栅介层的厚度 结构中栅介层的厚度t 表面量子化效应和多晶硅耗尽效应（详见4.4 容，表面量子化效应和多晶硅耗尽效应（详见4.4 等的影响， 节）等的影响，使栅电容降低 ——等效的介质层 等效的介质层 厚度增加——等效电容厚度CET 。 等效电容厚度CET 厚度增加 等效电容厚度 •
SiSi-N-O系统的热动力学
• 图中包含四个相：Si、 图中包含四个相： 、 SiO2（方石英和磷石 ）、Si 英）、 3N4、Si2N2O。 。 • SiO2为硅氧四面体结构， 为硅氧四面体结构， Si3N4为硅氮四面体结构， 为硅氮四面体结构， Si2N2O为略有畸变的 为略有畸变的 型四面体结构。 SiN3O型四面体结构。通 型四面体结构 过用氮替换氧，可以实 过用氮替换氧， 现由SiO2到Si2N2O最终 现由 最终 的相变。 到Si3N4的相变。
一、CMOS器件中的MIS栅结构 CMOS器件中的 器件中的MIS栅结构
• MIS结构 结构——MOSFET器件的重要组成部分。 器件的重要组成部分。 结构 器件的重要组成部分 • MIS ——（Metal Insulator Semiconductor，金属 （ ，金属绝缘层-半导体 半导体） 绝缘层 半导体） • 栅电极通常由多晶硅 -金属硅化物的复合结 构构成。 构构成。 • 栅介质与栅电极和Si 栅介质与栅电极和Si 沟道之间的两个界面 对于器件的性质起到 着至关重要作用。 着至关重要作用。
氮氧硅栅介质层的制备
CMOS技术中 CMOS技术中MIS栅电极结构的演变 技术中MIS栅电极结构的演变
Al栅 栅
重掺杂多 晶硅栅
金属栅
多晶硅-金 属硅化物栅
氮化的二 氧化硅栅
双搀杂 多晶硅栅
二、氮氧硅栅介质
• 目前，CMOS器件中已开始使用超薄氮氧硅 目前， 器件中已开始使用超薄氮氧硅 更准确地应称为掺氮的SiO2，或氮化二 （SiOxNy，更准确地应称为掺氮的 栅介质。 氧化硅）替代传统的纯SiO2栅介质。 氧化硅）替代传统的纯 • 氮氧硅中含有氮可以抑制硼的扩散， Si 2-Si界面 氮氧硅中含有氮可以抑制硼的扩散， SiO Si界面 附近含有少量的氮可以降低由热电子引起的界面退 提高器件的可靠性。 化，提高器件的可靠性。 • 氮氧硅SiO2Ny的介电常数在 ε ( SiQ2 ) = 3.9和ε ( Si3 N 4 ) = 7.8 氮氧硅SiO 之间随氮含量的多少成正比地变化。 之间随氮含量的多少成正比地变化。于是在相同的 等效栅氧化层厚度下，氮氧硅的物理厚度大于SiO 等效栅氧化层厚度下，氮氧硅的物理厚度大于SiO2的， 相应地使泄漏电流有所降低。 相应地使泄漏电流有所降低。 • 但是SiO2-Si界面附近若存在大量的氮，则由于界面 但是SiO Si界面附近若存在大量的氮 界面附近若存在大量的氮， 缺陷态的增加和迁移率的降低而使器件的性能退化。
• 然而平衡条件下，在体材料中Si3N4相和 然而平衡条件下，在体材料中 相和SiO2相是不 相分隔开。 可能共存的，这两个相总是被Si 相分隔开 可能共存的，这两个相总是被 2NO相分隔开。 Si2N2O是Si-N-O系统中惟一稳定的热动力学结构。 系统中惟一稳定的热动力学结构。 是 系统中惟一稳定的热动力学结构 • 在T=1400K时Si2N2O-SiO2相的边界，位于10-18atm 时 相的边界，位于10 处。而目前的各种快速热退火设备中的氧分压大于 该值。于是在体SiO2中的氮不是热力学稳定的。 中的氮不是热力学稳定的。 该值。于是在体 • 但实验上，在SiO2薄膜中是可以引入氮的，其主要 但实验上， 薄膜中是可以引入氮的， 原因在于氮原子能够动态地陷在表面附近的反应区 此时的氮处于非平衡状态， 内。此时的氮处于非平衡状态，但由非平衡态向平 衡态转变的速率很慢，于是一部分氮被陷。 衡态转变的速率很慢，于是一部分氮被陷。
为半导体材料的禁带宽度。 Eg为半导体材料的禁带宽度。半导体衬底的费米 势为 kT N sub φF = ln q ni • 介质层和界面上的电荷均会引起半导体表面能级 的弯曲。 的弯曲。其弯曲量为 ± Qo
Cox
当Qo为负电荷时取'+'，当Qo为正电荷时取 为负电荷时取 ，
• 能带弯曲可以通过施加与弯曲量相当的偏压加以 补偿， 补偿，通常把所需施加的偏压称为平带电压 。 • 平带电压定义为：为使半导体中能带保持平直而 平带电压定义为： 使表面势为0时所需施加在栅电极上的偏压。由栅 使表面势为 时所需施加在栅电极上的偏压。 时所需施加在栅电极上的偏压 电极和半导体间的功函数差以及等效界面电荷决 Qo 定 V fb = φms ± Cox • 若Qo为负电荷则平带电压将出现正向的移动，若 为负电荷则平带电压将出现正向的移动， 为正电荷则平带电压将出现负向的移动。 Qo为正电荷则平带电压将出现负向的移动。
• 图4.5为具有 多晶硅栅电极的 为具有P+多晶硅栅电极的 电容的C一 为具有 多晶硅栅电极的MOS电容的 一V 电容的 特性曲线。 特性曲线。 • MOS电容的面积为 电容的面积为6.25 ×10-4cm2，在n型硅上热 电容的面积为 型硅上热 氧化生长了24 埃的SiO2，多晶硅栅电极厚1500埃， 氧化生长了 埃的 ，多晶硅栅电极厚 埃 采用硼离子注人形成P+多晶硅 随后在1000度Ar 多晶硅， 采用硼离子注人形成 多晶硅，随后在 度 气氛退火，时间1、 、 和 秒 气氛退火，时间 、2、5和10秒。 • 随着退火时间的增加，特性曲线向正方向移动， 随着退火时间的增加，特性曲线向正方向移动， 相应地平带电压增加，表明阈值电压增加。 相应地平带电压增加，表明阈值电压增加。 • 以I-V特性的变化作为失效器件的判据，即与退火 特性的变化作为失效器件的判据， 特性的变化作为失效器件的判据 时间最短(1秒 的器件相比 的器件相比、 时间最短 秒)的器件相比、电流增加两个数量级 以上的器件均视为失效。 以上的器件均视为失效。