深亚微米及纳米器件的结构及研究进展2

深亚微米及纳米器件的结构及研究进展

陈鹏

摘要：通常我们把0.35-0.8μm及其以下称为亚微米级，0.25um及其以下称为深亚微米，0.05um及其以下称为纳米级。当前CMOS器件主流工艺尺寸已经达到32nm，已经进入到了深亚微米乃至纳米量级。在这个尺度上，传统器件已经趋近极限，需要给出新的器件结构和器件材料才能进一步发展。本文介绍由器件沟道长度减小带来的短沟道效应，以及当前主要的深亚微米器件、纳米器件结构，同时介绍当前该领域的研究进展和研究趋势。

关键词：深亚微米；纳米器件；器件结构；研究进展

Abstract:The 0.35-0.8μm and below usually referred to as sub-micron.The 0.25μm and below usually referred to as deep sub-micron.And the 0.05μm and below usually referred to as nanoscale.The current size of CMOS devices has reached the 32nm,has entered the nanoscale.In this scale, conventional devices have been approaching the limit.We must find the new device structures and device matierial.The Short-channel effects caused by the reduction of the channel length is introduced in this lecture.The current device structures of the DSM devices and the nano-devices are introduced in this lecture.And the research progresses and the development trends in this field are introduced in this lecture.

Keywords:Deep Sub-Micro;Nano-Devices;device structure;research progress

1.引言

CMOS器件特征尺寸进入深亚微米乃至纳米尺度之后，传统器件的材料、结构和工艺都将趋近于极限，量子效应将逐渐突出，而宏观物理规律将不再适用。所以当CMOS器件特征尺寸达到深亚微米量级之后，需要寻找出新的器件材料、器件结构来克服因特征尺寸缩小带来的物理障碍。

沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应[1]。主要有以下几点：

1)影响阈值电压的短沟、窄沟效应；

沟道长度减小到一定程度后,源、漏结的耗尽区在整个沟道中所占的比重增大,栅下面的硅表面形成反型层所需的电荷量减小,因而阈值电压减小。同时衬底内耗尽区沿沟道宽度侧向展宽部分的电荷使阈值电压增加。当沟道宽度减小到与耗尽层宽度同一量级时，阈值电压增加变得十分显著。短沟道器件阈值电压对沟道长度的变化非常敏感。

2)迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应；

低场下迁移率是常数,载流子速度随电场线性增加。高场下迁移率下降,载流子速度达到饱和,不再与电场有关。速度饱和对器件的影响一个是使漏端饱和电流大大降低，另一个是使饱和电流与栅压的关系不再是长沟道器件中的近平方关系，而是线性关系。

3)影响器件寿命的热载流子效应；

器件尺寸进入深亚微米沟长范围，器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强,特别在漏结附近存在强电场，载流子在这一强电场中获得较高的能量，成为热载流子。热载流子在两个方面影响器件性能:1)越过Si-SiO2势垒，注入到氧化层中，不断积累，改变阈值电压，影响器件寿命；2)在漏附近的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对NMOS管，碰撞产

生的电子形成附加的漏电流，空穴则被衬底收集，形成衬底电流，使总电流成为饱和漏电流与衬底电流之和。衬底电流越大，说明沟道中发生的碰撞次数越多，相应的热载流子效应越严重。热载流子效应是限制器件最高工作电压的基本因素之一。

4)造成亚阈特性退化的漏感应势垒降低效应；

亚阈区泄漏电流使MOSFET器件关态特性变差，静态功耗变大。在动态电路和存储单元中，它还可能导致逻辑状态发生混乱。因而由短沟道引起的漏感应势垒降低(DIBL)效应成为决定短沟道MOS器件尺寸极限的一个基本物理效应。

2.深亚微米及纳米器件结构

2.1. 全耗尽器件（FDMOSFET）

全耗尽器件拥有High-K材料栅介质以及传统的全耗尽MOSFET的源漏区。它通过高介电常数的介质材料替代传统的MOSFET栅氧化层，在不需要减小栅介质厚度的情况下，提高了单位面积的氧化层电容Cox，抑制了栅极到衬底的量子隧穿，减小了短沟道效应，并通过增加源、漏区的厚度，减小了源漏区的串联电阻，增大了器件的电流驱动能力。

这种全耗尽型的MOSFET有许多优点：有效地抑制了短沟道效应、抑制了浮体效应、漏场感应势垒下降效应较体硅减小了60%、亚阈斜率提高了25%、电流驱动能力提高30%、提高了Ion/Ioff比[2]。缺点是必须要寻找到热稳定性好、热膨胀系数与硅具有良好界面匹配的High-K介质。

2.2. 双栅器件

双栅器件是在传统的MOSFET结构的沟道下方再增加一个栅，以增强栅偏置对沟道电势的控制能力[3]。较传统的MOSFET相比，双栅MOSFET由于沟道下方引入另一个栅电极使得栅对沟道电势控制更加完备，从而增加了器件的电流驱动能力；提高器件抑制短沟道效应的能力，并增加了器件的跨导，减小了DIBL效应和阈值电压随沟道长度的变化量等。

图2.1 双栅MOSFET结构图

双栅MOSFET具有良好的短沟道控制能力、较低的垂直电场，从而具有较好的载流子