（微电子学与固体电子学专业论文）高k金属栅短沟道soi+nmosfet研究.pdf

论文题目：高k 金属栅短沟道s 0 1n m o s f e t 研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：赵博 签名： 指导教师：卢刚副教授 签名： 摘要 短沟道m o s f e t 的s i 0 2 栅介质暴露出栅极泄漏电流过大等严重问题，需要高k 材料 来代替传统s i 0 2 ，但是由于多晶硅栅电极与高k 材料结合会出现如费米能级钉扎等现象， 需要采用金属栅电极替代多晶硅栅电极。 本文首先对短沟道下的t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 进行了系统性研究，通过与传统 p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构s o in m o s f e t 的电学特性对比，发现采用t a c n l a 2 0 3 栅极结构 后，明显改善了s o i n m o s f e t 在短沟道下的工作性能，栅极泄漏电流得到明显的减小， 抑制短沟道效应的能力变强，关断特性好优势，在此基础上对栅极结构进行了优化， 引入了异质栅( d m g ) 结构，即栅电极由t a c n 一种材料变成t t a c n 和t i 两种功函数不同的 材料，通过对短沟道下t i + t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 的输出特性、阈值电压特性、 阈值电压漂移特性、亚阈值斜率特性、d i b l 等特性的研究，指出了随着沟道长度的 减小，t i + t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 相对于t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 不但能够减小 热电子效应、提高短沟道下的输出电流、降低关态功耗，而且还能够更加有利的抑 制短沟道效应和漏致势垒降低效应。 本文的栅介质材料采用稀土氧化物l a 2 0 3 ，栅电极材料采用t a c n 和t i ，器件仿真工 具为s i l v a c o a t l a s 。 关键词：l a 2 0 3 ；t a c n ；t i ：d m g ；短沟道 止纠 西安弭2 z - 大学硕士学位论文 i l a b s t r a c t t i t l e ：h i g hk ，m e l a lg a t e o fs h o r tc h a n n e ls o in m o s f e t m a j o r ： m i c r o e i e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：b 0z h a o s i g n a t u 陀：丝丝 s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f g a n gl u s i g n a t u r e ： a b s t r a c t s h o r tc h a n n e lm o s f e to fs i 0 2g a t ed i e l e c t r i c se x p o s e dg a t el e a k a g ec u r r e n tt o ol a r g ee t c ， s or e q u i r e dh i g hkm a t e r i a lt or e p l a c et h et r a d i t i o n a ls i 0 2 ，b u tt h ep o l y - s i l i c o ng a t ee l e c t r o d e c o m b i n a t i o no fh i g hkm a t e r i a l sw i l la p p e a r e ds u c ha sf e r m il e v e lp i n n i n ge f f e c te t c ，u s i n g m e t a lg a t ee l e c t r o d ei n s t e a do f p o l y s i l i c o ng a t ee l e c t r o d e t h i sp a p e rf i r s t l ys y s t e m a t i cr e s e a r c h e dt a c n l a 2 0 3g a t es o ln m o s f e tu n d e rs h o r t c h a n n e l ，c o n t r a s t i n g w i t he l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o ft h et r a d i t i o n a lg a t e ，f i n d i n gd e v i c e p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da f t e ru s i n gt a c n l a 2 0 3g a t es t r u c t u r eu n d e rs h o r t - c h a n n e l ， b e t t e rs u p p r e s s i o no fs h o r tc h a n n e le f f e c t s ，b e t t e rt u r no f f , t h e ni n t r o d u c e dd u a lm a t e r i a lg a t e ( d m g ) s t r u c t u r eb a s e do nt a c n l a 2 0 3g a t es t r u c t u r e ，g a t ee l e c t r o d em a t e r i a lf r o mt a c ni n t o t a c na n dt i ，n o to n l yr e d u c e dh o te l e c t r o n i ce f f e c t , i m p r o v e sd e v i c eo u t p u tc u r r e n t su n d e r s h o r t - c h a n n e l ，l o w e rt u r no f fp o w e r ，b u ta l s oe n h a n c e di n h i b i t i o no fs h o r tc h a n n e le f f e c ta n d r e d u c e dd r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w e r i n g g a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a lu s e dr a r ee a r t ho x i d el a 2 0 3 ，g a t ee l e c t r o d em a t e r i a lu s e dt a c na n d t i 。d e v i c es i m u l m i o nt o o lu s e ds i l v a c 0 a t l a s k e yw o r d s ：l a 2 0 3 ；t a c n ；t i ；d m g ；s h o r t c h a n n e l 1 i i 西安理工大学硕士学位论文 目录 目录 1 盲茸言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 高k 栅介质和金属栅电极概述2 1 。2 1 采用高k 栅介质必要性2 1 2 2 高k 栅介质选用要求2 1 2 3 高k 栅介质研究进展3 1 2 4 采用金属栅电极必要性4 1 2 5 金属栅电极选用要求4 1 2 6 高k 金属栅研究进展4 1 3 本文的主要工作5 1 4 小结5 2 器件结构及工作原理7 2 1 短沟道下传统栅极结构存在的问题7 2 2 高k 金属栅s o in m o s f e t 器件结构及工作原理8 2 3 小结1 2 3t a c n l a 2 0 3 栅极结构短沟道s o ln m o s f e t 仿真及性能分析1 3 3 1 仿真软件及物理模型1 3 3 2 短沟道下传统栅结构与t a c n l a 2 0 3 栅结构电学性能比较1 6 3 3 短沟道下t a c n l a 2 0 3 栅结构s o ln m o s f e t 电容特性分析2 9 3 4 小结3 2 4t i + t a c n l a 2 0 3 栅结构短沟道s 0 1n m o s f e t 仿真及性能分析一3 3 4 1t i + t a c n l a 2 0 3 短沟道s o in m o s f e t 电学仿真及性能分析。3 3 4 2 小结4 7 5 结论4 9 致谢5 1 参考文献5 3 附录：在校期问发表的论文5 7 v 西安理工大学硕士学位论文 v i 前言 1 前言 1 1 研究背景及意义 近半个世纪以来，半导体技术一直沿着m o o r e 定律发展，器件集成度以每1 8 个月翻 一番的速度急剧增加，单个器件的线宽也相应地急剧缩小，作为主流器件的m o s f e t 同样 按照器件特征尺寸缩小和集成度提高的规律发展，根据2 0 0 7 年国际半导体工业协会制定 的集成电路器件特征尺寸发展示意图，如图1 - 1 所示，m o s f e t 的特征尺寸将不断减小， 其栅介质层厚度也要相应减薄，到2 0 0 9 年以后，高性能m o s f e t 的栅介质层厚度必须要 小于3 n m ，在这个尺寸下，传统的s i 0 2 栅介质暴露出栅极泄漏电流过大，器件可靠性降 低等严重问题，因此传统的栅介质将不能满足未来m o s f e t 的发展要求u - 3 。针对上述问 题2 0 0 7 年国际半导体技术发展蓝图i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a dm a po f s e m i c o n d u c t o r ) 提出了如图卜2 所示的解决方法，从该图中可知，针对每一种难题都提出 了一种相应的解决方法，主要有：采用高k ( k 是介质相对介电常数) 栅介质材料可以地减少 栅极泄漏电流的发生，但是高k 栅介质与多晶硅栅电极结合使用会出现许多问题，如多晶 硅栅耗尽效应、费米能级的钉扎、过高的栅电阻、严重的硼穿透等现象，而采用金属栅电 极取代多晶硅栅电极后就可以很好的解决上述问题，而且金属栅与高k 材料有很好的工艺 兼容性，因此在最近几年使得金属栅逐渐呈现出取代多晶硅栅的趋势1 4 5 1 。目前高k 金属 栅结构已经成为世界上一些知名半导体公司和科研院所的研究焦点。 蓦 、 协 暖 墨 虫 举蕾 图卜1 集成电路器件特征尺寸发展示意图 f i g u r e l - 1f i g u r eo f i n t e g r a t e dc i r c u i t sd e v i c ef e a t u r es i z ed e v e l o p m e n t 西安理工大学硕士学位论文 ：o 强：口卸妊2 0 勰 稍浦赫融挪l 雠k 赫轴d 蛳女晡l j 酶 # 辑嘲 0 l i g h x t 鞘辩疟搬曲证i 姐i ，l 肆 舷i 羽虻啦群h b 睡 h ，b l 出m f 晰融 删粼鳓g ；船娜h 轴硝，妒洲辩啦 t 硼m ；s 0 1 8 静l # 谢o 糖蹿# 瓣 婀t t 骷 嘲勰d 辨嘏 p k 辨辩麟 嘲 黼鼬嘟轴艰b 辆目研 如牟p 。 辩艟斟o s r 鄹l 辑辫 i h 必辚x 妇聘l ；雠i m w 图1 - 22 0 0 7 年i t r s 提出的解决方法示意图 f i g u r e l - 2f i g u r eo fi t r sp r o p o s e dt h es o l u t i o n si n2 0 0 7 1 2 高k 栅介质和金属栅电极概述 1 2 。1 采用高k 栅介质必要性 当栅极线宽小于0 1 p m 之后，栅极电介质厚度逐渐开始接近原子问距。此时，由于隧 穿效应的影响，栅极电流开始成为一个不容忽视的问题。而对于厚度小于3 n m 的s i 0 2 还 存在着严重的针孔问题和从多晶硅栅穿越s i 0 2 到沟道的硼扩散问题，并且栅极漏电流的 陡增还会造成m o s f e t 器件关态功耗增加，因此对器件的集成度、可靠性和寿命都有很大的 影响。即便是采用s i 0 2 叠层结构加以改进，其栅电流也很难被减小，而这种叠层结构还 在很大程度上增加了工艺的复杂性和难度，大大提高了制造成本。因此要实现小于3 n m 的栅介质层厚度，必须采用新型的高介电常数栅极电介质材料，简称高k ( k 是介电常数) 材料，它是介电常数大于s i 0 2 ( k = 3 9 ) 的电介质材料的泛称，通常在高介电常数栅介质的 研究中，常用等效栅氧化层厚度( e o t ) 作为衡量标准4 3 。 1 2 2 高k 栅介质选用要求 s o ln m o s f e t 器件高k 栅介质材料的选用应满足以下几个方面的原则【8 - l o 】： ( 1 ) 具有高介电常数、高的势垒和能隙。作为新型栅介质材料，它应具有比s i 0 2 更高 的介电常数，但是介电常数要适中，不宣过高，因为过高的介电常数往往会导致禁带宽度 的减小，从而增加了漏电流。 ( 2 ) 在衬底上具有良好的化学稳定性，保证其在m o s f e t 的生产工艺过程中尽量不与 衬底发生反应，并且相互之间的扩散要小，并且要与衬底具有良好的匹配性，使界面态密 度和缺陷密度尽可能的低。 ( 3 ) 材料对阳离子( 尤其是n 酣、k + 等碱金属离子) 有强的阻挡作用，这是器件稳定性 和可靠性的重要保障。 2 前言 ( 4 ) 材料要具有长时间的稳定性和强的抗高温氧化性及抗辐射性能，不会在高温或其他 条件下分解或变质，这是器件正常工作的重要保障。 ( 5 ) 栅介质材料表面的固定电荷密度要小。 ( 6 ) 栅介质薄膜表面的可动离子数密度要小，以用于减小闽值电压的漂移。 1 2 3 高k 栅介质研究进展 目前最有希望取代s i 0 2 栅介质的高k 材料有三大类：氮化物、金属氧化物和复杂化合 物。 氮化物主要包括：s i 3 n 4 、s i o n 等。这类材料做栅介质时虽然存在有漏电流比s i 0 2 小 几个数量级，并且与s i 的界面状态良好，不存在过渡层等优点，但是它们具有难以克服 的硬度和脆性，界面态密度也很高。因此氮化物并不是能够取代s i 0 2 的优良栅介质。 金属氧化物主要有三类：i l i a 族金属氧化物、i i i b 族金属氧化物、i v b 族金属氧化物。 第一类：i l i a 族金属氧化物主要指的是a 1 2 0 3 ，其介电常数比s i 0 2 高，禁带宽度大， 具有非常好的热稳定性和机械强度。用它作栅介质，可以获得很小的栅极漏电流和质量接 近于s i 0 2 s i 的a 1 2 0 3 s i 界面。但是它作为栅介质时存在严重的硼扩散问题，并且其介电 常数不是很大，仅能满足下一、二代m o s f e t 器件的要求，并且在等同的条件下其迁移率 远小于s i 0 2 作栅介质时的迁移率，有时候仅为其一半。虽然可以通过在a 1 2 0 3 中掺入z r 、 h f 等元素提高其k 值，但是这些元素的掺入将在不同程度上减小a 1 2 0 3 的禁带宽度以及 与s i 的能带补偿，这些对栅介质又是极为不利的。因此在找到既能提高a 1 2 0 3 的介电常 数，掺入后又不会减小a 1 2 0 3 带隙和对s i 的能带补偿的物质之前，m 2 0 3 是不适合作为栅 介质的。 第二类：i i i b 族金属氧化物主要是指y 2 0 3 、l a 2 0 3 、p r z 0 3 等。根据实验室中最新研究 表明，这几类物质用作栅介质的时候能获得较薄的氧化层厚度和较小的栅极电流。因此它 们可作为新介质的候选材料之一，其中最有发展前景的是l a 2 0 3 ，不但能满足未来 m o s f e t 栅氧化层厚度不断减小和非常小的栅极电流，而且在s i 上热稳定性和化学稳定 性好、与硅有很好的晶格匹配、介电常数大、禁带宽度大、高的偏移势垒、晶体结构六方、 导带偏移量2 3 e v 、晶格常数1 0 7 8 、结晶温度1 1 0 0 。c 等优势，因此l a 2 0 3 成为目前研究 的热点，并且很有希望成为最终取代s i 0 2 的栅介质材料。 第三类：i v b 族金属氧化物主要包括t i 0 2 ，z r 0 2 和h i d 2 。虽然这些材料的介电常数 比较高，但是其与s i 衬底以及多晶硅栅之间的界面反应等问题，需要引入一层中间过渡 层形成堆垛结构，这样就增加了工艺的复杂程度并减弱了其高介电常数的优势，所得其物 理和化学特性之间的折中不能达到一个很好的平衡，因此它们不适合作为栅介质。 复杂化合物主要包括：s r z r 0 3 、b i 2 t i 2 0 7 等复合材料，虽然这些物质与在同等条件下 s i 0 2 栅介质相比，栅极电流减小了大约两个数量级。但是要变成高介电常数，则需要亚 单原子层为介质沉积控制沟道界面，目前，工艺实现上有很大的难度，因此从实用性出发， 这些复杂化合物材料并不适合替代s i 0 2 作为m o s f e t 栅介质材料。 3 西安理工大学硕士学位论文 对于l a 2 0 3 栅介质材料的研究，国外有很多高校以及科研机构都获得了很不错的成就， 有很多成果还在国际上有相当的影响力。我国的微电子产业起步较晚，因此发展仍然是相 对滞后于国外一些发达国家，但是最近几年得到了越来越多的重视 1 1 - 1 3 。 1 2 4 采用金属栅电极必要性 正如前面所说，m o s f e t 器件的缩小使得s i 0 2 栅介质材料的厚度达到了它们的物理极 限，这将使得器件的栅极电流增加和器件的可靠性降低。为了取代传统的s i 0 2 栅介质， 高k 栅介质已经被深入的进行了研究。然而高k 栅介质的引入并不是完美无缺的，高k 多晶硅的组合给m o s f e t 器件带来了很多问题，这些问题妨碍了高k 材料在m o s f e t 器 件中的有效应用，高k 介质和多晶硅栅电极接触后主要会引起费米能级的钉扎、多晶硅栅 耗尽效应、过高的栅电阻、低驱动性能以及迁移率严重下降。因此多晶硅栅对m o s f e t 器件性能的影响，并不亚于栅介质对m o s f e t 器件性能的影响。这就使得研究者们去寻 找另外的材料去代替传统的多晶硅栅电极。 这个时候金属栅因其能从根本上消除多晶硅栅耗尽效应和硼穿透现象，有效地克服费 米能级钉扎效应同时获得非常低的栅极薄层电阻，并且金属栅电极能很好与高k 栅介质的 工艺兼容，而进入了研究者们的视野，便考虑使用金属栅替换多晶硅栅，因此在m o s f e t 研究领域中高k 金属栅电极这种组合应运而生。国内外的科学家们也已经对高k 金属栅 组合进行了许多可靠而充分的研究，事实证明这种组合是非常行之有效的 1 4 - 1 5 1 。 1 。2 5 金属栅电极选用要求 和高k 栅介质材料一样金属栅电极的选用也是有以下几个方面的原则【1 6 。7 ： ( 1 ) 金属电极必须与多晶硅栅一样具有可调的功函数，对n m o s f e t 器件而言其功函 数大约在4 0 - 4 8 e v 范围内； ( 2 ) 热稳定性和化学稳定性好； ( 3 ) 替代多晶硅栅后不对s o in m o s f e t 器件电学性能造成不良影响； ( 4 ) 有良好的工艺兼容性。 1 2 6 高i 金属栅研究进展 目前高k 金属栅极结构已经成为世界上一些知名半导体公司、高等院校和科研院所的 研究焦点。在国际上，美国的i n t e l 微电子研究所一直处于领先地位，日本的东芝公司在 6 5n m 技术节点采用了h f s i o n 作为高k 栅介质，s e m a t e c h 也推出高k 双栅工艺。据2 0 0 8 年3 月的报道i n t e l 公司的4 5 n m “p e n r y n ”处理器就采用了高k 金属栅极结构，并宣布 在以后节点中继续采用高k 金属栅结构，国内主要是北京大学微电子研究所承担的“新 型栅结构材料相关问题研究”，并且已取得了一些骄人的成果 1 8 - 2 0 l 。因此，高k 金属栅 极结构的应用必将成为未来笔记本电脑、蜂窝电话和个人通信机等便携式电子产品的关键 部件，特别适应于制造超大规模集成电路( u l s i ) 。 4 前言 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是利用商用仿真软件s i l v a c 0 一a t l a s 对短沟道( l 1 0 0 n m ) 下的高k 金属栅s o ln m o s f e t 器件电学特性进行系统性研究，并且在单一金属栅的基础上引入 了金属异质栅( d m g ) 结构加以优化，仿真结果与分析符合良好。 本文各章节内容安排如下： 第一章前言，包括四个部分：1 研究背景及意义；2 高k 栅介质和金属栅电极概述； 3 本文主要工作：4 小结。 第二章器件结构及工作原理，包括三个部分：1 短沟道下传统器件结构存在的问题； 2 高k 金属栅s o ln m o s f e t 器件结构及工作原理：3 小结。 第三章t a c n l a 2 0 3 栅极结构短沟道s o ln m o s f e t 仿真及性能分析，包括四个部分： 1 仿真软件及物理模型；2 。短沟道下的传统栅极结构与t a c n l a 2 0 3 栅极结构电学性能比 较；3 短沟道下的t a c n 见a 2 0 3 栅极结构s o in m o s f e t 电容特性分析；4 小结。 第四章t i + t a c n l a 2 0 3 栅极结构短沟道s 0 1n m o s f e t 仿真及性能分析，包括两个部 分：1 t i + t a c n l a 2 0 3 短沟道s 0 1n m o s f e t 电学仿真及性能分析；2 小结。 第五章结论 1 4 小结 本章首先介绍了高k 金属栅的研究背景及意义，然后对高k 栅介质和金属栅电极进行 了概述包括：采用高k 栅介质必要性、高k 栅介质选用要求、高k 栅介质研究进展、采用 金属栅电极必要性、金属栅电极选用要求和高l ( 金属栅研究进展，最后阐述了本文的主 要工作。 西安理工大学硕士学位论文 6 金属栅高ks 0 1n m o s f e t 相关理论 2 器件结构及工作原理 本章首先介绍了短沟道下传统的p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构s o ln m o s f e t 存在的一些 问题，然后介绍了t a c n l a 2 0 3s o ln m o s f e t 器件结构及工作原理，最后在t a c n l a 2 0 3 栅极结构的基础上引入了异质栅结构( d m g ) 使之成为t i + t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 。 2 1 短沟道下传统栅极结构存在的问题 随着m o s f e t 的特征尺寸不断减小，其栅介质层厚度也要相应减薄，当栅极线宽小于 o 1 9 r n 之后，栅极电介质厚度逐渐开始接近原子间距，在这个尺寸下，传统的s i 0 2 栅介 质暴露出栅极泄漏电流过大，m s o f e t 器件可靠性降低等严重问题，此时由于隧穿效应 的影响，栅极电流开始成为一个不容忽视的问题，栅极电流的陡增还会造成m o s f e t 器 件关态功耗增加，而且对于传统的s i 0 2 还存在着严重的针孔问题和从多晶硅栅穿越s i 0 2 到沟道的硼扩散问题，因此对器件的集成度、可靠性和寿命都有很大的影响，即便是采用 s i 0 2 叠层结构加以改进，其栅电流也很难被减小，而这种叠层结构还在很大程度上增加 了工艺的复杂性和难度，大大提高了制造成本【2 1 2 2 】。 小尺寸效应对传统的p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构的影响是非常明显，会导致阈值电压随 沟道长度的减小而下降的非常剧烈，关断特性变得非常差等，以至于传统p o l y s i l i c o n s i 0 2 己不适合作为短沟道m o s f e t 的栅极结构，主要影响p o l y s i l i c o n s i 0 2s o ln m o s f e t 器 件性能的几种小尺寸效应如下【2 3 刨： 短沟道效应( s h o r tc h a n n e le f f e c t ：s c e ) 所谓短沟道效应即短沟道器件的闽值电压受栅 控能力减小的影响而发生变化的现象。该效应主要是由于随着沟道长度的减小出现电荷共 享，既栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，而且随着沟道长 度的减小，受栅控制的耗尽区电荷减小，更多的栅压用来形成反型层，使得达到阈值的栅 压不断降低，也就是说，源、漏区和栅极共同分享了沟道耗尽区电荷，其中受源、漏区控 制的沟道耗尽区电荷对阈值电压没有贡献，从而造成了器件阈值电压的下降。m o s f e t 器件沟道长度越小，栅极控制的电荷也会越少，m o s f e t 阈值电压也就越低，短沟道效 应的影响就越来越突出，以致于短沟道m o s f e t 器件阈值电压对沟道长度非常敏感 3 1 - 3 3 1 。 对于传统韵p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构s o in m o s f e t 短沟道效应对它的影响使得该器件 已不能在短沟道下正常工作【2 5 2 7 】。 漏致势垒降低效应( d i b l ：d r a i ni n d u c t i o nb a r r i e rl o w e r ) 是小尺寸m o s f e t 中所出现 的一种不良电学现象，具体就是随着漏压的增大，漏端耗尽区增大，从而降低了m o s f e t 栅极控制的耗尽区电荷数目，m o s f e t 沟道中的电力线会从漏区穿越到源区，使得势垒 高度降低，从而导致栅控能力的降低，该过程就称为漏感应势垒降低效应。显然m o s f e t 沟道长度越小，d i b l 效应就越严重，实际上，d i b l 效应往往与短沟道效应是同时存在 的，因为这些效应都是小尺寸场效应晶体管中容易出现的问题，这两种效应都主要影响器 件的阈值电压。对于短沟道下的m o s f e t 而言，为降低短沟效应和漏致势垒降低效应对 西安理工大学硕士学位论文 器件的不利影响，从而获得良好的电学特性，这就要求m o s f e t 的栅对沟道控制能力得 到增强【2 州2 1 。 热电子效应是由于在m o s f e t 器件尺寸缩小过程中，漏极电压不可能和器件尺寸按同 样比例缩小，这样导致m o s f e t 器件沟道区的电场增强，当短沟道m o s 器件沟道中的 电场强度超过1 0 0 k v c m 时，电子在两次散射之间获得的能量将可能超过它在散射中失去 的能量，从而使一部分电子的能量显著高于热平衡时的平均动能，由于动能很大而称为热 电子，高能量的热电子将严重影响m o s f e t 器件和电路的可靠性，引起一系列热电子效 应。热电子效应对短沟道m o s f e t 器件的影响主要表现在以下两个方面：热电子向栅介 质层中注入，从而导致器件性能变差；热电子效应还会引起衬底电流增大，使得寄 生横向n p n 管的基极电位升高，当基极电位升高到高于源极时，寄生的n p n 管 会导通，这样就进一步增加热电子电流，这是一种正反馈过程，会使m o s 场效应 晶体管的漏源电流急剧上升，而迅速达到击穿状态，甚至在低电压下也不能正常工 作 3 3 - 3 7 】。 正因为传统的p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构在短沟道下( l 1 0 0 n m ) 存在上述几种效应所 带来的严重问题，器件结构图如图2 1 所示，使得传统的栅极结构已经不能满足m o s f e t 的发展水平，因此必须对短沟道下传统的m o s f e t 栅极结构加以改进。 栅极 滂极 多晶硅 漏极 二氧化硅i s d 埋氧层 衬底 图2 1p o l y s i l i c o n s i 0 2s o ln m o s f e t 结构不意图 f i g u r e2 - 1f i g u r eo f p o l y s i l i c o n s i 0 2s o ln m o s f e ts t r u c t u r e 2 2 高l 【金属栅s o in m o s f e t 器件结构及工作原理 针对小尺寸m o s f e t 下传统的s i 0 2 栅介质所暴露出的上述问题，因此必须采用新型 的高介电常数栅极电介质材料来替代s i 0 2 栅介质，高介电常数材料简称高k ( k 是介电常 数) 材料，它是介电常数大于s i 0 2 ( k = 3 9 ) 的电介质材料的泛称，采用高k 材料以后，栅 绝缘介质介电常数的增加将使栅介质层的厚度增大，于是泄露电流将大大减小。 金属栅高ks o ln m o s f e t 相关理论 s o ln m o s f e t 器件高k 栅介质材料的选用应满足以下几个方面的原贝i j ： ( 1 ) 具有高介电常数、高的势垒和能隙。作为新型栅介质材料，它应具有比s i 0 2 更高 的介电常数，但是介电常数要适中，不宣过高，因为过高的介电常数往往会导致禁带宽度 的减小，从而增加了漏电流。 ( 2 ) 在衬底上具有良好的化学稳定性，保证其在m o s f e t 的生产工艺过程中尽量不与 衬底发生反应，并且相互之间的扩散要小，并且要与衬底具有良好的匹配性，使界面态密 度和缺陷密度尽可能的低。 ( 3 ) 材料对阳离子( 尤其是n a + 、k + 等碱金属离子) 有强的阻挡作用，这是器件稳定性 和可靠性的重要保障。 ( 4 ) 材料要具有长时间的稳定性和强的抗高温氧化性及抗辐射性能，不会在高温或其他 条件下分解或变质，这是器件正常工作的重要保障。 ( 5 ) 栅介质材料表面的固定电荷密度要小。 ( 6 ) 栅介质薄膜表面的可动离子数密度要小，以用于减小阈值电压的漂移。 根据高k 栅介质材料的选用原则，最有发展前景的是l a 2 0 3 ，不但能满足未来m o s f e t 栅氧化层厚度不断减小和非常小的栅极电流，而且在s i 上热稳定性和化学稳定性好、与 硅有很好的晶格匹配、介电常数大、禁带宽度大、高的偏移势垒、晶体结构六方、导带偏 移量2 3 e v 、晶格常数1 0 7 8 、结晶温度1 1 0 0 等优势，因此本文m o s f e t 器件的栅介 质选用l a 2 0 。 然而高k 栅介质的引入并不是完美无缺的，高k 栅介质和多晶硅栅电极的接合会给 m o s f e t 器件带来了很多问题，这些问题妨碍了高k 材料在器件中的有效应用，高k 介 质和多晶硅栅电极接触后主要会引起费米能级的钉扎、多晶硅栅耗尽效应、过高的栅电阻、 低驱动性能以及迁移率严重下降。因此多晶硅栅对器件性能的影响，并不亚于栅介质对器 件性能的影响。而采用金属栅能消除多晶硅栅耗尽效应和硼穿透现象，有效地克服费米能 级钉扎效应同时获得非常低的栅极薄层电阻等，因此使用金属栅替换多晶硅栅，使之成为 高k 金属栅结构，事实证明这种组合是非常行之有效的。 虽然金属栅的应用很好解决了传统多晶硅栅电极与高k 材料组合后所带来的问题，但 是研究发现仅使用一种金属栅材料却使得s 0 1n m o s f e t 器件的输出电流有所降低，为 了使器件输出电流有所提高同时更好的抑制s c e 效应、热电子效应和d i b l 效应，1 9 9 9 年，l o n g 等人提出的异质栅结构( d m g ) ，该结构是由具有不同功函数的两种材料拼接而 成，并使它们横向接触，图2 3 给出了t i + t a c n l a 2 0 3 栅极结构s 0 1n m o s f e t 的示意 图，对于s o ln m o s f e t 而言，靠近源端的栅材料功函数要比靠近漏端的栅材料功函数 大。 西安理工大学硕士学位论文 金属栅电极的选用也是有以下几个方面的原则： ( 1 ) 金属电极必须与多晶硅栅一样具有可调的功函数，对n m o s f e t 器件而言其功函 数大约在4 0 - 4 8 e v 范围内； ( 2 ) 热稳定性好、化学稳定性好和良好工艺兼容性； ( 3 ) 替代多晶硅栅后不对s o in m o s f e t 器件电学性能造成不良影响。 根据金属栅电极的选用原则，本文选用t a c n 功函数4 6 e v 作为单一金属栅l a 2 0 ，s o i n m o s f e t 的栅电极，器件结构图如图2 2 所示。对于异质栅结构的s o ln m o s f e t 则选 用t a c n 和t i 作为其栅电极，其中t i 的功函数为4 1 e v ，器件结构图如图2 3 所示。 图2 - 2 中的器件结构参数为：埋氧化层( s i 0 2 ) 厚度4 0 0 n m ，顶层薄硅厚度l o o n m 、硼掺 杂浓度5 x1 0 1 7 c m - 3 、均匀掺杂，源漏区采用高斯掺杂、磷掺杂浓度为1 1 0 2 0 c m ，栅介质 采用l a 2 0 3 、等效厚度( e o t ) 1 9 r i m ，栅电极采用t a c n ( 功函数4 6 e v ) 、厚度2 5 n m 。 图2 3 中的器件结构参数为：埋氧化层( s i o z ) 厚度4 0 0 n m ，顶层薄硅厚度1 0 0 n m 、硼掺 杂浓度5 1 0 盯c m 、均匀掺杂，源漏区采用高斯掺杂、磷掺杂浓度为1x1 0 2 0 c m 一，栅介质 采用l a 2 0 3 、等效厚度( e o t ) 1 9 n m ，栅金属采用功函数不同的两种材料t i 和t a c n 、厚度 均为2 5 n m ，并使它们横向接触，栅金属t i 的长度等于栅金属t a c n 的长度，且靠近源端 的栅电极材料t a c n 功函数( 4 6 e v ) 比靠近漏端的栅电极材料t i 功函数( 4 1 e v ) 大。 栅极 沥极t a c n 漏极 氧化镧i s d 埋氧层 衬底 图2 - 2t a c n l a 2 0 3s o ln m o s f e t 结构示意图 f i g u r e2 - 2f i g u r eo ft a c n l a z 0 3s o in m o s f e t s t r u c t u r e 金属栅高ks o ln m o s f e t 相关理论 栅极 沥：极 t a c nt i 漏极 氧化镧 s d 埋氧层 村底 图2 3t i + t a c n l a 2 0 3s 0 1n m o s f e t 结构示意图 f i g u r e 2 - 3f i g u r eo ft i + t a c n l a 2 0 3s 0 1n m o s f e ts t r u c t u r e 高k 金属栅m o s f e t 是一种四端半导体器件，有栅极、源极、漏极和衬底四个端口。 在衬底上有层埋氧层，在埋氧层上是单晶硅层，用于制造m o s f e t 器件，绝缘层上的 金属电极称为栅极，在栅极上施加电压，可以改变半导体表面沟道的导电能力，器件的两 则电极分别是源极和漏极，在正常工作状态下，电子将从源极流入沟道，从漏极流出，最 后一个电极则是衬底电极，一般该电极接地。 高k 金属栅m o s f e t 采用反型工作模式，电流主要在反型沟道中流动，当栅极无外加 偏压时，源极到漏极之间是两个背对背相接的! o - n 结，由源极流向漏极的只有反向漏电流。 当栅极外加一个足够大的偏压时，m o s f e t 结构将被反型，以致于在s i l a 2 0 3 界面附近 形成表面反型沟道，这一导电的反型沟道连接源极和漏极，可允许较大的电流通过。沟道 的电导可以通过栅极电压的变化来调节，因而从本质上讲高k 金属栅m o s f e t 是一个电 压控制的变阻器件。图2 4 给出了l q 沟道t a c n l a 2 0 3n m o s f e t 反型模式下的能带图， 对于n 沟道增强型高“金属栅m o s f e t 器件，在栅压变化时，对应于表面载流予分布 有积累、耗尽和反型三种情况。一般认为，在器件反型时，当表面沟道区少数载流子浓度 等于衬底中多数载流予浓度即表面势为衬底费米势的两倍时的栅极电压为器件的阈值电 压，当栅极电压在阈值之上时高k 金属栅m o s f e t 器件导通，当栅极电压在阈值之下时 高“金属栅m o s f e t 器件截止，此即器件的开关特性。因此当栅极电压在阈值之下时， 高k 金属栅m o s f e t 器件的工作状态处在截止状态，当栅极电压在阈值之上时，高l 【金 属栅m o s f e t 器件导通，半导体表面即形成强反型导电沟道，此时在漏源之间加上偏置 电压，载流子就会通过反型层导电沟道，从源端向漏端漂移，外加栅电压增大，输出电流 也会增大，当外加栅电压进一步增大时，沟道就会被夹断，夹断点随着漏源电压的增大而 逐渐向源端移动，栅下半导体表面被成反型导电沟道区和夹断区两部分，导电沟道中的载 西安理工大学硕士学位论文 流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端向漏端漂移，当这些载流子通过漂移到达夹 断点时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流，因此沟道夹断后，器件的输出 特性由导电沟道部分的电特性决定，另外，漏端沟道夹断后，漏源电流基本上不随漏源电 压的增大而增大【3 8 - 4 0 l 。 t a c n 和t i 所组成的异质栅l a 2 0 3s o ln m o s f e t 与t a c n 单一栅极l a 2 0 3s 0 1 n m o s f e t 器件有所不同，在于栅电极t i 和t a c n 的功函数不相同会造成沟道内存在阶梯 分布的电场和电势，这样有利于减小热电子效应、短沟道效应和漏致势垒降低效应对短沟 道m o s f e t 造成的不利影响，而t a c n 单一金属栅l a 2 0 3m o s f e t 则因沟道内不存在阶 梯分布的电场和电势则对于热电子效应、短沟道效应和漏致势垒降低效应的抑制作用没有 t a c n 和t i 所组成的异质栅结构的器件强。 m e t n l l a z 0 3 s i ( p * t y p e ) 嚣。 e r 纛。 图2 4 反型模式fn 沟道t a c n l a 2 0 3n m o s f e t 能带图 f i g u r e 2 - 4f i g u r eo f n - c h a n n e li n v e r s i o nm o d et a c n l a 2 0 3n m o s f e t b a n d 2 3 小结 本章首先介绍了短沟道效应、漏致势垒降低效应和热电子效应对短沟道下传统的 p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构s o in m o s f e t 的影响，造成阈值电压漂移剧烈、亚阈值特性退 化严重等问题，然后通过引入t a c n l a 2 0 3s o in m o s f e t 来改善器件在短沟道下的特性， 介绍了高k 金属栅m o s f e t 的器件结构及工作原理，最后在t a c n l a 2 0 3 栅极结构的基 础上引入了异质栅结构( d m g ) 加以优化，使之成为t i + t a c n l a 2 0 3s o ln m o s f e t 器件， 通过本章的论述为后面的电学特性分析打下了理论基础。 1 2 t a c n l a 2 0 3 栅板结构短沟道s o ln m o s f e t 仿真及性能分析 3t a c n l a 2 0 3 栅极结构短沟道s 0 1n m o s f e t 仿真及性能分析 本章首先介绍了在仿真中所用到的软件及物理模型，接着对短沟道( l 1 0 0 n m ) 下的 t a c n l a 2 0 1s o in m o s f e t 进行了系统性研究，通过与传统p o l y s i l i c o n s i 0 2 栅极结构s o i n m o s f e t 的电学特性对比，发现采用t a c n l a 2 0 3 栅极结构后，明显改善了s o i n m o s f e t 在短沟道下的工作性能，栅极