碳纳米管高k材料在MOSFET中应用

其他如ZrO2，Si3N4，TiO2，Ta2O5等
小飞守角制作
解决方案——碳纳米管FET
基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用
解决方案——碳纳米管FET
基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用
为什么要使用高K材料？
根据驱动电流和栅氧化物厚度的关系：
为了增大器件的饱和驱动电流, 在保持其他参数不变的情况下, 需要采用具 有较高介电常数的物理厚度较厚的栅介质薄膜材料, 这样才可以大大降低直 接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。
栅电容可以用平行板电容来表达: 等效SiO2厚度概念, 即: 从该表达式可看出, 使用较厚的K 值大于3. 9 的高介电材料可以起 到较薄SiO2 栅同等的作用, 由于物理厚度大而消除了由隧穿引起的较 大漏电流。
• 有源器件晶体管和互连可以分别采用半导体性和金属性碳纳米 管来制作。
解决方案——碳纳米管FET
基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用
CNT-FET是一个三端器件，其中CNT连接源漏，形 成电荷通道，通道开关由栅极控制。
当一个电场加在碳纳米FET器件两端时，一个自 由电荷就从碳纳米管的源端到漏端产生。
碳纳米管高k材料在 MOSFET中应用
目录
一、尺寸减小带来的挑战 二、已有的应对挑战的解决方案
—高k材料 —金属栅 三、基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNTFETs的结构及特性 —高K和金属栅CNTFETs中的应用 四、总结
摩尔定律带来的挑战？
解决方案—金属栅
背景
工艺
电性能
多晶硅栅
为什么要使用高K材料？
• SiO2栅介质减薄带来的问题
由缓变沟道近似：
晶体管尺寸缩小 沟பைடு நூலகம்长度减小 反型层电容增大
驱动电流增大
然而SiO2 栅厚度的减薄是有物理极限的 当继续减薄时，每减薄1埃，漏电流将增加5倍； 对于栅厚度小于20埃的SIO2，还存在着严重的针孔问题和从多晶 硅SIO2到沟道的硼扩散， 影响了MOS器件的性能，从而阻碍了器件的进一步微型化。
• 因此这样结构的场效应管的输
下图是采用Pt作为源漏电极构建的碳管场效应管的电流输出特性 曲线和转移特性曲线, 场效应管在负的门电压下开启, 随着门电压的 减小, 源漏电流相应的增大, 呈现出典型的p型输运特性。
• Al的功函数是4.2 eV ，小于碳纳 米管的功函数，这时源电极费 米能级的位置将接近碳纳米管 的导带能级。这种能带结构对 电子的势垒很低，有利于电子 从电极注入到碳纳米管中。
• 和 为石墨平面的单胞基矢。选石墨平面中任一碳原子O 做原点，再选另一个碳原子A ， 从O 到A 的矢量为式(1)
• 将石墨平面卷曲成一个圆柱，在卷曲过程中使矢量 末端的碳原子A 与原点上的碳原子O 重合， 然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子半球面,这样就形成了一个封闭的碳纳米管。这样形成的碳 纳米管可用( n , m) 这对整数来描写。因为这对整数一经确定,，碳纳米管的结构就完全确定。 所以，把这对整数称为碳纳米管的指数。
高K材料能有效解决SiO2 栅介质减薄带来的问题!!
高K材料的制备方法
制备方法
真空蒸发法
溅射法
PVD 分子束外延生长
离子束沉积
高温/低温CVD
低压CVD
CVD
等离子增强CVD
激光辅助CVD
金属有机化合物 CVD
主要的高k材料
HfO2
二氧化铪(HfO₂)是一种具有宽带隙和高介电 常数的陶瓷材料，替代栅极绝缘层二氧化硅 (SiO₂)。
工艺
Fig.2 Metal interdiffusion fabrication process
金属栅电特性
Fig. 2 I –V characteristics of 52 MOSFET’s with W/TiN gate and SiO gate insulator on an 8-in wafer (T = 4:8 nm).
• 碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs），碳的同素异形体。 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。
• 单层直径一般为1－6 nm；多层层数2-50不等，典型直径为2～30nm， 长度为长度0.1～50μm。
单壁碳纳米管 直径1-6nm
多壁碳纳米管 直径nm—>um
• 栅耗尽效应 • 过高的栅电压 • B穿透效应 • 与高K介质不兼容
背景
金属栅
• 极低栅极薄层电阻 • 与高K兼容 • 根本上消除栅耗尽和B穿透效应 • 栅功函数易调节适应CNTMOSFET要求
• 单金属方法 • 双金属方法 • 金属互联法 • 其他方法
工艺
单金属方法
工艺
Fig.1 Damascene gate transistor fabrication process.
Fig.3 C–V characteristics of damascene gate transistor with SiO gate insulator.
解决方案——高K材料介质
高K材料的基本介绍
• 什么是高K材料？
• k描述一种材料保有电荷的能力。 • 高k材料是一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。
• 碳纳米管的圆柱形结构没有所谓的边界，所以它能够很好的克 服边界散射。只有前向和逆向散射，弹性散射意味着在碳纳米 管中的自由通道是非常长，是一种准1D材料，功耗低。
• 由于碳-碳之间的紧密的共价键，碳纳米管呈化学惰性，能够传 输大量的电流。
• C原子的所有化学键完整不需要像Si表面由于存在悬挂键而需化 学钝化，这意味着CNT器件不必一定使用SiO2作为绝缘体，而 是可以使用其他高介质常数和晶体的绝缘体进行三维结构的制 作。
金属的功函数小于碳纳米管的功函数，则载流子 为电子。
反之，载流子为空穴。
• Pt 的功函数是5.3 eV ，大于碳 纳米管的功函数4.8 eV，这时源 电极费米能级的位置将接近碳 纳米管的价带能级。这种能带 结构对空穴的势垒很低，有利 于空穴从电极注入到碳纳米管 中。
• 当门电压加负电压时，碳纳米 管的能带上移，减小了源电极 与碳纳米管之间势垒的厚度， 增大了空穴从电极到碳纳米管 的隧穿概率。