（微电子学与固体电子学专业论文）深亚微米槽栅mos器件的理论及实验研究.pdf

摘要 摘要 随着半导体器件等比例缩小至深亚微米领域，器件的部分技术指标已经接近 或者乖在接近其固有的物理极限，小尺寸效应与可靠性问题限制了器件的发展， 成为当前超大规模集成电路技术的主要挑战之一。改变器件结构是问题的解决方 法之一。槽栅m o s 器件被认为是深亚微米范围内具有应用前景的器件结构。本文 从理论、工艺技术以及测试分析等方面对槽栅m o s 器件进行了分析研究。 论文首先对槽栅m o s 器件的性能及其内部工作机理进行了模拟研究和预测。 分析了槽栅m o s 器件区别于平面器件的根本因素拐角效应。由于拐角效应能 够较好地阻止漏端电势的横向扩展，因此槽栅器件能够较好地抑制阈值电压随着 沟道长度的缩短而下降的趋势，亚阈特性退化有限，基本消除了漏感应势垒降低 效应；并能抑制热载流子的产生，抗热载流子特性较好，而漏端驱动能力的问题， 可以通过调整器件参数，优化器件结构得到改善。 器件建模有助于更好地表征器件特性。论文确定了表面电势同器件的结构参 数、衬底掺杂浓度、偏置电压等参数之间的关系，得出了器件表面电势的解析模 型，模型说明凹槽拐角决定了槽栅m o s 器件拐角效应的结果，较大的凹槽拐角导 致了较低的表面电势，故拐角效应越显著。而阙值电压的解析模型则反映了阈值 电压随结构参数变化的情况，并采用电荷共享模型，对槽栅器件的阈值电压进行 了分析，同样得出结论：槽栅m o s 器件需要一个较大的凹槽拐角。电流模型对槽 栅器件的电流进行了定性分析。槽栅m o s 器件的结构导致了较大的寄生电容，电 容模型体现了寄生电容同样与凹槽拐角关系密切，凹槽拐角增大，器件的寄生电 容越小，截止频率增大。 针对测试需要，设计了槽栅m o s 器件的测试版图，包括单管测试结构、工艺 检测图形等。槽栅m o s 器件可调的结构参数较多，论文对与工艺相关的结构参数， 如衬底杂质浓度、沟道掺杂浓度、负结深以及凹槽拐角等对器件特性的影响进行 了分析。结果表明，凹槽拐角增大，负结深增大，以及沟道和衬底杂质浓度的升 高，都能够导致拐角效应的增强，使器件的阈值电压升高，抗热载流子能力增强 ( 高衬底掺杂浓度除外) ，但器件的漏极驱动能力有所降低。 槽栅m o s 器件结构特殊，但制备工艺相对简单，没有过多的附加工艺。论文 介绍了详细的槽栅m o s 器件制备工艺流程，重点讨论了关系到器件制备成功与否 的关键工艺：超浅结的注入、电子束光刻、凹槽的反应离子刻蚀、牺牲氧化层的 生长与去除以及超薄栅氧化层的生长。由于现有工艺采用的是套刻工艺，因此器 件覆盖电容较大，可以通过化学机械抛光的方法去除硅表面的多晶硅材料，仅保 深亚微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 留凹槽内的多晶硅作为栅电极。工艺分析得知，抛光后所得器件源、漏区的覆盖 面积明显减小，覆盖电容也较小。 槽栅m o s 器件主要性能( 包括器件的阈值电压、跨导、亚阈斜率、输出特性 以及可靠性相关的应力退化特性等) 的测试结果表明，槽栅工艺制备的m o s 器件 具有与平面工艺器件可比的静态参数指标，衬底电流也小于相同条件下的平面 m o s 器件，但存在着器件寿命较短的问题，问题的解决有待于槽栅工艺的完善以 及相关参数的进一步优化。对不同的失效槽栅m o s 器件的分析表明，凹槽的刻蚀 和栅氧化层的生长是关系到器件性能的重要工艺步骤。 关键词：深亚微米 小尺寸效应槽栅结构m 0 s f e t 拐角效应解析模型反 应离子刻蚀电子束光刻器件特性 a b s t r a c t a b s t r a c t a s 也es i z e 科。s e m i c o n d l c t o rd e v i c e sa d v 锄c e si n t ot h ed e 印。s u b - m i c r o m e t e f r e g i m ea c c o r d i n gt 0t h es c a l i n gm l e ，s o m ed e v i c ep a r a i n e t e r sl l a v eb e e na p p r o a c h i n gt h e i i l l l e r e mp h y s i c a l 卸dt e c h n o l o g i c a ll i i n i t s s m a l is i z ee 艉c 拓a n dt i l er e l i a b i l “i e sw h i c h l i m i tt h cd e v c l o p m e n to fd 州c e sh a v eb e c o m eo n eo ft h ec h a l l e n g e so ft h ev l s i t e c h n o l o g y _ 0 n ep o s s i b l es o l u t i o nt ot 1 1 e s ep r o b l e m si st oc h a i l g et h es t n j c t u r eo f 也e d “i c e s t h eg r o o v e d g a i em o s f e tl l a sb e e nr c g a r d e d 勰ap r o m i s i n gd e v i c ei nm e f e g i m e 锄di ti si i l v e s t i g a t e di nd e v i c ep h y s i c s ，t e c h n o l o g ya f l de x p e r i m e m a la i l a l y s i s ， f e s p e c t i v e l y mt l l i st h e s i s t h ef l r s ti s s u co f t h ct h e s i si sm es i m u l a t i o na i l dt h ep r e d i c t i o no fm ed e “c e p e 面m 眦e 锄dm c c h 孤i s mo ft h eg r o o v c d g a t em o s f e t t h ec a u s eo fm e d i 臁r e n c e sb e t 、槌e nm ep l a n a ra i l dt h eg r o o v e d - ga _ c em o s f e t ，t h ec o n c a v ec o m e r e 虢c t ，i s 锄l y z e d t h es t u d ym a i l i f e s tn l a tl e s sl a t e r a je x p a n d i n go ft l i ed r a i np o t e n t i a i b e c a i l s eo f 吐峙c x i s t e n c eo ft i l ec o n c a v ec o m e rr e s u l t sl e s st h r e s h o l dv o l t a g er o l l - o 正 l e s s 鲫l b t l l r e i h o l ds w 协gd e 鲈a d a n o n ，l e s s 出a i ni n d u c e db a r r i 盯l o w i n ga n dg o o d h o t c a r r i e r - e 脏c ti n l m u n i 够1 1 l ew e a k e n e dc u r r e md r i v ec a p a b i l 时s h o u l db es o l v e db y t l l eo p t i r n i z a t i o no f t l l ed e v i c es t n j c t i l r e m o d e l i n gm a k c sag o o di m e r p r e t a t i o no ft i l ed e v i c e s i i lt h i st l l e s i s ，锄a n a l y t i c a l m o d e lf o rt l l es u r f a c ep o t e n t i a li sp r o p o d t h em o d e lw h i c hi sr e l a l e dt om ed e v i c e s m j c t u r ep a r 锄e t e r s ，t i i es u b s ”a t ed o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dt h e 酎i t ea n dd r a i nb i 鹤 s h o w st l l ei n n u e n c eo ft l l ec o n c a v ec o m e ro nt h ec o m e re f f b c to ft h cg r o o v e d g a t e m o s f e t n eb i g g e rm ec o m e ra 1 1 9 i e ，t i l em o r e h e a v i i yt h es u 晌c ep o t e n t i a lc o i l a p s e s 锄dm em o r eo b v i o u sm ec o 眦re 胝t t h e 妇s h o l dv o l t a g em o d e lr e n c c t sm e r e i a t i o n s h i pb e t w c e nm et h r e s h o i dv 0 i 住唱ea l l dt h es t m c t u f ep a 舢e t e r s a c c o f d i n gt o c h a r g es h a r i n g 锄l y s i s ，as 姗ec o n c l l 】s i o nc a i lb em a d e ：伊0 0 v e d - g a t em o s f e tn e e da b i g g e rc o m e r 锄g l e t h e n c u 眦n tm o d e ig i v e saq u a i i 诅t i v ea 胍l y s i so ft i l ed e v i c e c u r r e n tp c r f o 】m 锄c c 1 1 璩s p c c i a ls 咖c t u r co fn 把g r o o v e d g a t em o s f e tr e s u l t st l 谗 b i g 辞rp 8 r 铷澈i cc a p 鹳i t a n c ec o m p a r e d 晰m 血ep l a n 缸d e v i c e t h ec a p a c n 孤c em o d e l a l s os h o w sm er e l a t i o nb e t 、 ，e e nm ep a f 够i t i cc a p i t 锄c ea n dt h ec o n c a v ec o m e r ：t h e b i g g e rt i l ec 0 瓣越g l e ，t l l e 锄a l 妇出ep a r 笛i t i cc 印a c i t a l l c ea r l dt h eh i g h c rt | l ec u t o f r f b q u e n c y 深亚微米槽栅m 0 s 器件的理论及实验研究 at e s tc h i pi n c l u d i n gi i l d i v i d u a l 仃锄s i s t o 娼孤do t l l 盯t c s tp a t t e m si sd e s i g n e df o r d e t a i l e dd e v i c es t u d i e s t h ei n n u e n c eo f t h es t n j c t i l 陀p a m m e t c r s s u c h 笛s u b s t r a t e 锄d c h a n n e ld o p i n gc o n c e m r a t i o i l ，n e g a t i v ej u n c t i o nd 印也锄dc o n c a v ec o m e r ，o nt l l e d c v i c ei s 髓a l y z e d t h er c s u l ts h o w st h a 圭b i g g 盱c o m e ra i i g l e ，d e 印c rn e g a t i v ej u n c t i o n a n dh e a v i e fs b s t r a t ea n dc h 蛐e li m p u r i t ya l il e a dt ot h ee f 出a i l c e m e mo ft h ec o m e r e 踟c t ，i n c r e 舔e dt h r e s h o l dv o l t a g e ，蕊p f o v e dh o t c a r r i e r e 娲c ti m “m n i t y ( e x c e p t 龇 c 鹊eo f h i g l ls l l b s t r a t ed 叩i n g ) a i l dw e a k e n e dc u 腓n td r i v a b i l i 够 o v e d g a t et e c h n o l o g y 砸t h o u tm a n ya d d i t i o n a lp r o c e d u r e si sr e l a t i v e l y 如p l e c o m p a r c d 、析mo t h e rn o v e ls 妇m c t l i 陀s t i 他d e t a i l e df 曲r i c a t i o np r o c e s si si n 怕d u c e d 、i t he m p h a s i so ns e v e r a tk e yp r o c e d u r e s ，s u c h 笛s h a l l o wj u n c t i o nf o 咖a t i o n ，e l c c t r o n b e a ml i t h o g m p h y ，e ，s a c r i f i c i a lo x i d e 觚du l t r at l l i nga _ c eo x i d cg r o 丽n g t h eb i g g e r p a r 弱i t i cc a p a c i t a n c ec 弛b ei m p r 0 v e db yt h ec m p 妣h n o l o g yw h i c h 谢l ld e c r e et h e o v e r l a pa r e ao b v i o u s l y s o m eb a s i co p e m t i o n a lp a r a r t e 疆如c ha st l l r e s h o l dv o l 姆g c ，t f a l l s c o n d u c t a 】e ， s u b t h r c s h o l ds 、v i n ga n do u t p u tc h 黜积i s t i c sa r em e 硒u r e d t h e 舱s i l l t sr e n e c tm a tm e p e 面矾a n c eo fg r o o v e ( 1 g a t em o s f e t i sc o m p a r a t i v e 、) l ，i t h 也ep l a l l a ro n e t h el i f e t i n l e p r o b l e mc a nb ei m p r o v e db y t l l ed e v e l o p m e n to f t h et e c l l r 帕l o g ya n dt l l eo p t i m i z a t i o no f t h ed e v i c es t n l c t m e t h ea i l a i v s i so ft h ed i s a b l ed e v i c e sm a n i f e s tt h ei m p o n a n c eo ft h e g r o o v ee t c h i n ga r i dt h eg a t eo x i d eg r o w i l l gi nm eg f o o v e g a t et e c h n o l o 趼 k e y w o r d s ：d e e p s u b m i c r o m e t e r s m a l ls i z ee f r e c t g r o o v e d - g a t e m o s f e t c o m e re 腩c t 趴a l ”i c a lm o d e li u ee l e c t r o nb c 锄l i t h o g r a p h yd e v i c e c h a f a c 蜘s t i c s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 导师签名：十 薇 ，f ，r y ，一 嗍。砺可 第一章绪论 第一章绪论 在过去的近半个世纪中，微电子技术中的c m o s ( c o m p l i m e n t a r ym e t a l0 x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 工艺已经成为微电子产业的主流工艺，并在很大程度上，使整个 产业取得了令人瞩目的成功。可以毫不夸张地说，微电子技术，无论是发展速度， 还是对人类社会生产和生活的影响，在科学技术史上都是空前的，是其他任何传 统产业所无法比拟的。 1 1m o s 器件的发展现状及其尺寸变化规律 一种技术的成功取决于两个必要因素：第一，产品性能的快速改进；第二， 新产品成本的降低，能够开发潜在客户群。c m o s 的小型化，或者说c m o s 器件 尺寸的减小，有助于实现上述两个目标。要使器件的特征尺寸不断缩小，依赖于 工艺技术的不断进步，从而使集成度不断提高，功耗降低，器件性能得以提高。 特征尺寸是指器件中的最小线条宽度。就m o s 器件而言，通常指器件栅电极所决 定的沟道几何长度，是一条工艺线中所能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最 小设计尺寸单位( 设计规则) ，常常作为技术水平的标志。基于市场竞争，不断提 高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力，缩小特征尺寸则是达到这一目的 的最有效手段之一。 1 9 6 5 年4 月1 9 日，g o r d e n m o o r c 在e l e c n d n i c s m a g a z i n e 上发表了其日后 影响世界的经典言论。他指出，工艺的改进使得每年给定面积的芯片上晶体管的 数目增加一倍( 1 9 7 5 年，由于芯片复杂度的迅速增加，m o o r e 将上述增长速度更 改为每两年增加一倍) ，而且器件的工作速度也同时增加。但较少有人知道的是， m 0 0 r c 同样预测到，在器件数目增加，工艺改进的同时，生产成本将会大幅度减小。 图1 1 为g o r d e nm o o r c 的原始预测草图。 m o o r e 的预测如今已被称为摩尔定律，定律蕴藏的内涵颇为惊人，预示了在半 导体器件工艺改进的同时是产品成本的降低，这在当时是不可思议的。因为传统 的工业中，制造一个更快、更好的、功能加倍的小零件意味着双倍的成本。但是， 对于固体电子和微电子产业，其变化方向却恰恰相反，缩小尺寸，则在同等集成 度条件下，芯片面积更小，同等直径的硅片产出量更高，相应的成本更低。晶体 管尺寸的每次减小，都意味着集成电路会更加便宜，性能更好。 几十年来，为了提高电子集成系统的性能，降低成本，器件的特征尺寸不断 2深哑微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 图1 1 摩尔定律的原始草图 缩小，制作工艺的加工精度不断提高，硅片的面积不断增加，同时，集成电路的 性能价格比也迅速提高。i c 芯片的特征尺寸已经从1 9 7 8 年的1 0 “m 发展到现在的 0 0 9 “m ，集成度从1 9 7 1 年的l kd r a m 发展到现在的1 gd r a m ：硅片的直径尺 寸也逐渐由2 英寸、3 英寸、4 英寸、6 英寸、8 英寸过渡到1 2 英寸。表1 1 示出 了美国半导体工业协会预测的今后一段时间微电子技术发展的趋势以及代表先进 集成电路技术的标志性产品d r a m 的发展状况。 表1 1 微电子技术发展趋势( 美国国家半导体协会预测) 牵 参n 1 9 9 92 0 0 l 2 0 0 32 0 0 62 0 0 92 0 1 2 密集线条：半节距啪 o 1 8o 1 5 o ，1 30 1 00 0 7o 0 5 缩小率 o 8 3o 8 60 7 70 7 0o 7 l 孤立线条：m p u 栅长m m o 1 4o 1 2 o 1 0o 0 7o 0 5o 0 3 5 缩小率 o 8 6o 8 3o 7 0o 7 1o 7 0 d r a m 样品 1 g 4 g1 6 g“g2 5 6 g d r a m 批量产品 2 5 6 m l o l g4 g1 6 g6 4 g 第一章绪 论 近几年，已有很多文章报道了小于1 0 0 r 吼的m o s 器件的研究和制作【i “1 。” 现在，以o 0 9 岬c m o s 工艺技术为主流的微电子技术已进入大生产。o 0 4 5 岬乃 至5 姗的器件已在实验室中制备成功，相应的栅氧化层厚度只有1 o m 左右。预 计到2 0 1 4 年，特征尺寸为o 0 3 5 岬的集成电路产品将投入批量生产 集成电路这种功能上惊人的指数增长的背后驱动力是与之相关的诸如器件物 理与材料、生产工艺与设备、工艺控制、电路布局布线软件、电路仿真工具【i 纠”】 等方面技术的稳步进步。目前很多人认为，当微电子技术的特征尺寸在2 0 1 2 年达 到o 0 3 5 哪的“极限”之后，就是硅技术时代的结束。集成电路是否会继续遵循 摩尔定律的规律向前发展，今后的发展方向是什么等问题已经成为了人们关注的 焦点。g o f d o nm o o r e 认为，指数关系的增长不是永无止境的，但“极限”的到来 可以被人为推迟i l l 扪。 表1 2 等比例缩小规律 参数c e ( 恒场) 律c v ( 恒压) 律 q c e ( 准恒场) 律 器件尺寸工、降二。等 l ，kl ，kl ，靶 电源电压 i ，kl气f k 掺杂浓度 七，a 七 阈值电压 l kl九，k ， 电流 | ，k 七棼 k 负载电容 l fkl f kl f k 电场强度 l 七五 门延迟时间l fkl 瓣l 疆 功耗l f 棼七蹙i t 功耗密度 l 旷t 功耗延迟积 i 潆 l fk 硭滢 栅电容 七 七j i 面积 l ，谚 l f pl ，谚 集成密度 矿 矿旷 4 深贬微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 1 2m o s 器件小型化所涉及的问题 等比例缩小( s c a l i n g - d o 帅) 定律是1 9 7 4 年由d e n r 谢d 提出的【1 6 】，该论文发 表在1 9 7 4 年第9 期的i e e ej o 啪a lo fs o l i d - s t a t ec 硫嘶t s 杂志上，其基本指导 思想是，在m o s 器件内部电场不变的条件下。通过等比例缩小器件的纵向、横向 尺寸。以增加跨导和减小负载电容，由此提高集成电路的性能。为保证器件内部 电场不变，电源电压也要与器件尺寸缩小相同的倍数。这种维持器件内部电场不 变的等比例缩小定律叫做恒定电场规律，简称c e 律。按c e 律等比例缩小后器件 的参数如表1 2 所示【6 】。 等比例缩小定律是超大规模集成电路迅速发展的基点。几十年来，集成电路 工艺技术和器件物理的研究和开发都是围绕这个基点进行的。正是由于器件在等 比例缩小技术方面的不断进步和巨大成功，集成电路才有了今天的辉煌成就。但 是，并不是所有的器件参数都能够等比例缩小，简单的恒定电场定律也存在较大 的问题，其中主要有 ( 1 ) 阈值电压不可能太小，因为阈值电压降低会引起电路抗干扰能力的减弱， 泄漏电流增加，不利于动态结点电平的保持，而且会引起静态功耗增加； ( 2 ) 亚闺斜率不能等比例缩小l l 矧，因此在等比例缩小的器件中，亚闯电流 将增大，而栅压大于闽值电压时的电流将减小，从而使器件的开关特性变差。对 于数字电路而言，这是人们所不希望的； ( 3 ) 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小； ( 4 ) 电源电压也不能按上述等比例缩小规则变化，电源电压标准的改变会带 来很大的不便。 为了克服c e 律中存在的问题，人们提出了“恒定电压等比例缩小”规律f l l 7 l ( 简称c v 律) ，即保持电源电压v d d 和阈值电压v t 不变，对其他参数进行等比 例缩小。按c v 律等比例缩小后的参数如表1 2 中的第2 列所示。可以看出，器件 尺寸按c v 律缩小后对电路性能的提高远不如c e 律，其速度功耗积只降低了七倍。 采用c v 律会使沟道内的电场大大增强，由此带来了一系列的问题，对电路的可靠 性造成较大的影响，另外，由于功耗密度增加了矿倍，还会造成器件散热困难以 及金属连线的电迁移等问题。c v 律一般只适用于沟道长度大于l 岫的器件，不 适用于亚微米以及更小尺寸的器件。 在集成电路技术中，实际采用的等比例缩小规律通常是c e 律和c v 律的折中。 为了维持标准的5 v 电源电压，在很长一段时间内采用c v 律进行等比例缩小。然 而当器件尺寸缩小到一定尺寸，例如进入到亚微米领域后，由于强电场、高功耗 以及功耗密度等引起的各种问题限制了器件参数按c v 律进一步缩小，因而电源电 压必须降低。同时又要考虑到不能使阈值电压太低而影响电路的性能，因而实际 第一章绪论 上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例，也就是说，在集成电路发 展过程中实际采用的是不完全等比例缩小的规则。通常，器件尺寸将缩小j 倍， 而电源电压则只变为原来的五七倍，称为“准恒定电场等比例缩小规则”( 简称 q c e 律) 7 。1 1 9 】。q c e 律的结果也列入表l 。2 【12 0 1 2 ”中。 根据等比例缩小定律，通过缩小器件尺寸使集成电路的集成密度、速度等参 数飞速提高，但实际上，由于各种寄生效应不能等比例缩小，因此集成电路性能 也不能等比例提高，集成电路性能提高的程度往往小于等比例缩小定律预计的速 度。影响集成电路性能提高的主要因素有： ( 1 ) 由于电压不能与器件尺寸按同样比例缩小，造成器件内部电场增强。这 将对小尺寸器件性能带来一系列影响，如，薄栅氧化层的可靠性；载流子迁移率 退化和速度饱和；强场下的量子效应等； ( 2 ) 由于寄生效应不能等比例缩小，当器件尺寸很小时，寄生效应的影响增 大；如，漏源区寄生串联电阻增大，使有效工作电压减小；金属互连线在整个集 成电路中所占的芯片面积越来越大，有的甚至高达8 0 以上，互连线的电阻和寄 生电容对电路性能的影响不能随着器件尺寸的缩小而降低，相反，互连线的影响 却变得越来越严重。 ( 3 ) 随着器件尺寸的缩小，电源电压必须降低这不仅使寄生效应的相对影 响加大，而且使器件阈值电压的设计和控制更加困难。 正是由于这些因素的影响，当器件尺寸到了纳米( 1 0 母m ) 电子器件领域时， 传统的器件结构可能会遇到很大的挑战，这时研究各种新型的器件结构、开发新 型的栅电极和栅介质等栅结构材料、采用优化的沟道掺杂剖面等就成了纳米尺度 c m o s 器件设计的重要课题。 1 2 1 器件尺寸缩小对工艺技术的挑战 要使c m o si c 继续遵循摩尔定律向前发展，很重要的基础就是在工艺技术上 保证器件的尺寸能持续缩小为了保证电路性能的改善，器件的纵向尺寸( 如栅 氧化层厚度、源漏区结深等) 和横向尺寸( 沟道长度和宽度) 要一起按比例缩 小。不久的将来，c m o s 工艺会面临许多工艺挑战；栅氧厚度，浅源漏结深和 橱长是最关键的尺寸。 沟道长度：沟道长度是m 0 s f e t 器件光刻和刻蚀过程中的最小特征尺寸。 从制备工艺的角度来看，采用波长小于1 9 3 f 掘的光刻光源仍然面临很多阻力。如 今最先进的量产光刻设备采用受激准分子激光器，其波长为2 4 8 n m ( 1 【r f ) ，分辨 率o 2 5 岫。分辨率的进一步改进需要采用1 9 3 姗波长的光源( a 腰) ，这个光源能 够分辨小于o 1 8 岫的光刻图形【1 m l 。采用分辨率增强技术，例如移相掩模技术， 分辨率可达o 1 0 o 1 2 岫。要制备亚1 0 0 呦的器件，特征尺寸需要由电子束或x 射 6深亚微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 线光刻确定。但是，嵌入x 射线光源的问题在于掩模板制作困难；而电子束光刻 的产量低【1 2 3 l 。即使亚光刻特征尺寸通过光学图形转移技术或新型光刻光源都可 以获得，也仍然需要在大生产环境中得到证明。可靠的同时又可量产的光刻技术 的发展对于纳米c m o s 工艺至关重要。 栅氧化层厚度：随着m o s 器件沟道长度的不断减小，为了抑制短沟道效 应，减小亚阈值斜率，同时也为了增大驱动电流，提高电路工作速度，必须使m o s 晶体管的栅氧化层厚度和沟道长度一起按比例缩小。由于器件尺寸的持续减小， 薄氧化层的隧穿成为一个制约因素【1 ，弘12 钔。对于1 0 0 姗栅长的c m o s 器件，在1 5 v 电压下工作，相应的栅氧化层厚度约3 姗。这样薄的栅氧化层大约相当于l o 层硅 原子的厚度( 硅的原子直径是o 3 1 3 觚) ，如果要求氧化层厚度的误差控制在1 0 以内，工艺控制精度必须在原子线度之内。即使不考虑工艺技术的限制，也还有 很多问题将限制氧化层的减薄，主要是：氧化层的击穿和可靠性【1 2 9 ，13 0 1 、薄氧化 层的隧穿电流对器件和电路性能的影响，多晶硅栅的耗尽和反型层电容引起的器 件性能退化等问题。 结深：结深是通过向制定区域的杂质离子注入来进行控制的，受到注入后 热循环过程中的扩散的制约。今后的工艺要求更陡峭的掺杂轮廓，但现有的退火 工艺无法在源漏区域的边缘产生充分陡峭的掺杂梯度。而且，较高的杂质激活 并维持低电阻在纳米c m o s 工艺中是至关重要的。 1 2 2 量子效应的影响 器件尺寸减小使得器件内部电场增强。当m o s 晶体管沟道长度缩小到0 1 肛m 以下时，栅氧化层中的电场强度已接近5 m v c m ，而硅中的电场强度也会超过 l m v c m 。强电场下的量子效应将对器件性能带来影响，除了栅氧化层隧穿电流和 反型层量子化造成有效栅电容的下降外，还有两个问题不容忽视：一个是量子效 应引起的阈值电压变化【12 9 1 3 卜1 3 4 1 。栅氧化层越薄，沟道区掺杂浓度越高，表面电 场越强，量子效应的影响越显著。反型层电荷量子化引起的闽值电压增大也可等 价于有效栅电压的减小，因为要达到同样的反型层电荷密度，必须加更大的栅电 压。另一个是量子隧穿造成的p n 结泄漏电流增大【l 冽。 1 2 3 迁移率退化和速度饱和 对于m o s 器件，反型层内的载流子被限制在s i s i 0 2 界面附近的一个狭窄的 范围内，反型层载流子在运动中不仅像体内载流子那样受到带电中心引起的库仑 散射以及晶格震动引起的声子散射的作用，还要受到表面散射的作用，原因在于 s i s i 0 2 界面不是理想的平面，大约有一两个原子层的不平整度。由于反型层载流 子比体内载流子多了一项散射机制表面租糙引起的表面散射；另外，在库仑 第一章绪论7 散射中也增加了界面电荷以及反型层载流子本身的作用；在声子散射中，除了各 种体声子外，还有与界面相联系的表面声子，以上这些原因造成了反型层载流子 的迁移率远低于体迁移率。反型层载流子的迁移率不同于体迁移率的另一个特点 是，受表面电场的强烈影响，随着器件尺寸缩小，表面电场增强，迁移率下降将 很明显【1 2 9 t 1 3 扪。 此外，小尺寸器件中不仅垂直于表面方向( 纵向) 的电场增强，沿沟道方向 ( 横向) 的电场也在增大。横向电场的增大将会引起反型层载流子漂移速度的饱 和。一旦发生速度饱和，m o s f e t 的饱和区电流将不再随栅电压的平方增加，而 是呈线性依赖关系。反型层载流子漂移速度饱和也是限制小尺寸器件性能改善的 一个重要因素。特别值得注意的是，反型层载流子的饱和漂移速度要比体内载流 子的饱和漂移速度( 约为l l o7 c m s ) 低，这将进一步降低m o s 器件的导通电流 【i 弘l4 0 1 。 1 2 4 源、漏区串联电阻的影响 当m o s 晶体管沟道较长时，沟道的本征电阻远大于源、漏区寄生电阻，源、 漏寄生电阻不会对器件性能产生影响。随着m o s 晶体管沟道长度缩短，沟道的本 征电阻减小，而源、漏区的寄生电阻不能按比例缩小，这将使寄生电阻的影响变 大。源、漏区寄生电阻和沟道本征电阻串联，使m o s 晶体管的有效工作电压下降， 使器件的工作电流和跨导下降，这将严重影响电路性能的改变。 介质 图1 2c m o s 工艺技术发展状况 深亚微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 1 3 小尺寸器件解决方案与实现途径 为了保证器件尺寸的减小，同时避免各种物理极限对器件特性的影响，人们 采用了多种方案以求尽可能解决问题。总体上可分为三种途径：栅工程，沟道工 程和新型器件结构。图1 2 为c m o s 工艺的一些重要的技术发展状况。 1 3 i 栅工程 限制小尺寸器件特性的主要制约因素是栅介质的厚度。为了提高栅的控制能 力，应该减小介质层的厚度，根据i t r s 发布的c m o s 工艺发展趋势可知栅介质 厚度将会减小到1 5 咖。但在这种薄栅氧区域，直接隧穿电流会随着介质层厚度的 减小而呈指数性增加，导致明显的功耗增大和器件性能的退化。尽管隧穿过程本 身并没有破坏氧化层，但是由于器件设计的初衷是假设没有可观的栅电流出现， 因此隧穿引起的栅泄漏电流会引起电路失效。另一问题是由于反型层中载流子量 子化导致的反型层电荷和跨导的减小。 克服上述问题的有效方法之一是采用高介电常数的新型绝缘介质材料( 简称 高k 材料) 【1 4 卜14 3 1 。在高k 材料的研究中，通常用等效氧化层厚度e o t ( e q u i v a l e n t 0 x i d et h i c k n e s s ) 作为衡量的标准，并与高k 栅介质的实际物理厚度相区别。e o t 定义为：当高k 栅介质和纯s i 0 2 栅介质达到相同的栅电容时的纯s i 0 2 栅介质的厚 度。采用高k 材料以后，在保证对沟道有相同控制能力( c d ，= k 相同) 的条 件下，栅绝缘介质介电常数的增加将使栅介质层的物理厚度k 增大。因此，为了 得到低于2 n m 范围的等效氧化层厚度，可以考虑采用较厚的介电常数比s i 0 2 大的 栅介质，以此作为减小栅与沟道间的直接隧穿电流的一种方法。 此外，器件尺寸减小后，为了从根本上摆脱硼扩散和多晶硅耗尽的问题，选 择合适的栅电极材料也被提上日程。根据i s l r 的预测，电极材料除了其薄层电阻 应为4 6 倒口外，还需要材料的功函数能够适应c m o s 器件的要求。同时要求栅 电极材料在工艺过程中与栅介质材料及其周围材料之间保持热稳定性、化学稳定 性以及机械稳定性，并且与栅介质层要有好的黏附性。此外，须与c m o s 工艺兼 容【14 2 i 一4 4 1 。 1 3 2 沟道工程和超浅结技术 根据按比例缩小规律，随着器件沟道长度的进一步减小，沟道的有效掺杂浓 度必须相应提高。亚l o o 蛳范围内，衬底掺杂浓度将高达1 0 埽c 1 3 的数量级。这 增大了结电容，同时由于较高的杂质散射，反型层载流子的迁移率将出现严重退 化，直接减小了器件的驱动电流。此外，伴随器件尺寸减小出现的高寄生源漏电 阻也直接影响器件的驱动电流。使用逆向掺杂结构，外延沟道工程和特殊的源、 第一章绪论 9 图1 3m o s 器件的短沟道效应 漏结构等纵向沟道工程【1 4 孓“7 】，可以解决上述问题。 栅长减小后，近漏端的空间电荷区扩展到表面下的近源端，源、漏穿通将使 器件失去栅控性，从而导致了源漏之间流经空间电荷区的泄漏电流，见图1 3 ，这 被称作m o s f f r s 的短沟道效应( s c e ：s h o r tc h a n n e le 位c t ) 。短沟道效应制约着 m o s 器件的阈值电压的下限和关态泄漏电流。由于迁移率的退化和体效应因子的 增大，依靠提高衬底掺杂浓度来抑制源、漏穿通是不现实的，但通过改变局部的 沟道掺杂浓度可以避免源、漏穿通。在源漏边缘区域采用环绕掺杂( h a l o ) 或垂 直方向的不均匀掺杂等横向沟道工程【1 4 8 ，删，可以在减小因短沟道效应引起的穿 通和阈值电压漂移的同时，还可以通过调节沟道电势和电场分布，实现载流子速 度过冲和对势垒的钳制，提高器件的驱动电流和抗热载流子效应的能力。 i t r s 的趋势图预测5 0 啪的晶体管的源漏扩展结的深度为1 0 呲，随着结深的 减小，s c e 可以减弱【15 0 l 。但是，太浅的结深导致了高串联电阻，这又反过来导致 了驱动电流的退化。因此，即使是通过引入超浅结，完全抑制了s c e ，仅仅减小 尺寸而没有m o s f e t 器件特性的改进也是毫无意义的。为在这两者之间得到折中， 实际的器件是采用双结技术方案：在l d d 区使用轻掺杂的超浅结，在源漏结构区 使用重掺杂的深结。 1 3 3 新型器件 除了通过栅工程以及沟道工程来改善小尺寸器件的性能外，一些新的器件结 构也逐渐被采用来克服c m o s 按比例缩小的限制。 s o im o s f e t 是一种采用s o i ( s i l i c o no nh l s u i a t o r ) 衬底材料制备的器件。 与体硅c m o s 技术相比，由于埋氧化层的存在，s o l 电路寄生电容小，而且易于 l o深亚微米槽栅m o s 器件的理论及实验研究 实现全介质隔离，工艺简单，集成度高。此外，体硅电路中器件与衬底之间相互 作用会引起闩锁效应，而在s o i 电路中由于埋氧化层的存在，切断了闩锁通路， 避免了闩锁效应。薄膜全耗尽s o i 技术除了具有s o i 技术的通有特点外，由于实 现了体反型，载流子迁移率增大，电流驱动能力提高，跨导增强，而且短沟道效 应小，亚阈区斜率陡直，具有广泛的应用前景”5 3 1 。 对于缩小到纳米尺寸的m o s 器件，同样发展了很多新型的栅电极形式以及栅 电极材料和组成来改善器件性能。新的栅电极形式可以分为双栅m o s 器件1 1 2 9 1 5 4 1 和围栅m o s 器件【1 5 5 ，1 + 5 6 1 两种。新的栅电极形式增强了器件的栅控能力，极大地抑 制了漏电场向沟道区中的穿通，有效地抑制了短沟道效应。另外，异质栅场效应 晶体管采用了两种不同功函数的栅材料，使它们横向接触。器件的沟道电场分布 与传统器件不同，在源端有较高的电场以提高载流子速度，漏端电场较低以降低 热电子效应。 应变沟道m o s 器件是一种新型的沟道结构器件，主要特点是在s i 工艺中引 入高质量应变s i s i g e 的异质结构，以进一步提高器件的性能，尤其是p 沟道器件 的性能i l 。57 。应变沟道器件通过增大载流子迁移率来增加驱动电流，进而提高器件 的跨导性能，而且由于载流子被限制在s i s i g e 量子阱中，使沟道控制的耗尽区电 荷减少，表面电场降低，因此，与同样尺寸的体硅m o s 器件相比，应变沟道器件 有利于抑制漏感应势垒降低( d i b l ：d r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w e r i n g ) 效应和穿通 效应。 本文涉及的槽栅结构m o s 器件是微电子技术进入到深亚微米阶段后提出的， 其结构特点是将传统m o s 器件的栅极置于下凹的槽内，使沟道区下沉，源漏p n 结底端高于沟道面。因此其工艺较s 0 i 等简单。器件的独特结构导致了与众不同 的器件效应，因此在对小尺寸m o s 器件的可靠性提高和抑制短沟道效应方面效果 显著，但与其他类型的新型器件相比，槽栅器件的电流驱动能力和亚阈特性仍有 待改进。由于以上特点，槽栅m o s 结构越来越得到国内外研究者的关注。 1 4 本论文的主要工作 本论文是在国家自然科学基金项目“超深亚微米新型槽栅c m o s 器件及相关 技术研究”( 项目批准号：6 0 3 7 7 6 0 2 4 ) 以及中国科学院国防科技刨新基金项目“新 型超深亚微米槽栅c m o s 器件工艺技术