（微电子学与固体电子学专业论文）纳米超薄高k材料的工艺研究与性能表征.pdf

复旦大学博士学位论文 摘要 摘要 随着集成电路技术的飞速发展，金属氧化物半导体场效应晶体管 ( m o s f e t ) 的特征尺寸遵循着“摩尔定律”不断缩小。根据“按比例缩小”原 则，m o s 器件中的栅介质层的纵向尺寸( 即厚度) 也应随之比例缩小。但是， 当栅介质层厚度小于l 纳米后，作为传统栅介质材料的二氧化硅已经抵达了物 理、电学和工艺极限。由于栅介质层厚度无法继续减小，目前唯一的解决方法就 是寻找高相对介电常数( 七) 材料取代二氧化硅成为新型的栅介质材料。这种材 料必须具有适当大小的k 值、大禁带宽度、高界面层质量、良好的热稳定性，且 其制备工艺与c m o s 工艺相兼容。 原子层淀积( a l d ) 技术由于自饱和性和自限制性的技术特点，可以达到原 子级厚度精确控制，并且工艺温度低，所淀积的薄膜具有共形性好、致密无针孔、 大面积淀积的均匀性和重复性非常好等优点，成为制各纳米级厚度高k 薄膜的首 选工艺。本文基于原子层淀积技术，分别对二元金属氧化物、三元复合金属氧化 物和氧化物叠层结构等高k 介质材料作了系统的研究，分析了它们的制备方法、 工艺优化、材料物性和电学性能等，其结果对纳米m o s 器件中高k 栅介质的应 用具有积极的学术价值和实用意义。 使用等离子体增强原子层淀积( p b 气l d ) 工艺制备了l a 2 0 3 高k 介质材料。 采用新型的l a c t h d ) 3 金属前驱体和氧等离子体，成功开发出制备工艺，在源温为 1 8 0o c 、反应腔和衬底温度为3 0 0o c 时具有合适的生长速率。发现该条件制备的 l a 2 0 3 薄膜中l a 元素被完全氧化，l a 2 0 3 薄膜在入射光波长为6 6 3l l r n 时的折射 率为1 8 6 ，光学禁带宽度为5 4 5e v ，价带最大值为2 8 0e v 。n 2 氛围淀积后退火 工艺对薄膜特性有着较大的影响，退火温度在8 0 0o c 以下时，退火对l a 2 0 3 s i 界面影响很小，而退火温度超过8 0 0o c 时，界面层开始出现s i 0 2 ，而到了9 0 0o c 时，硅表面被强烈氧化。同时，价带偏移量在6 0 0 8 0 0o c 退火温度范围内随温 度缓慢增大，而在9 0 0o c 退火后价带偏移量大幅增加。制各了a 1 l a 2 0 3 s i 叠层 m o s 结构，测得未退火l a 2 0 3 薄膜具有较大的k 值1 9 4 ，9 0 0o c 退火后由于界 面层的作用降为1 6 9 ，同时c - v 回滞由0 1 6 v 降到0 0 4 v ，界面态密度由1 1 0 1 2 c m - 2 降到3x1 0 c m - 2 ，表明热退火可以明显提高l a 2 0 3 s i 的界面质量。 采用先进的a l d 工艺分别制备了h f l a o 和n b a i o 两种三元复合氧化物并 分析了它们的工艺制备条件、材料特性和电学特性。首先，采用1 ：1 的h f ：l a 淀 积周期比，制备了h f l a o 薄膜。薄膜中的h f , l a 元素均为完全氧化态，同样由 于l a 前驱体的位阻效应，l a 的组分百分比与h f 的组分百分比约为l ：3 5 。i - l f l a o 薄膜对应6 6 3n n l 入射光的折射率为1 8 9 ，光学禁带宽度为5 6 7e v 。而掺l a 进 复旦大学博士学位论文摘要 入h f 0 2 薄膜中，形成h f l a o 三元氧化物，大幅提高薄膜的结晶温度到将近8 0 0 o c 。制各了a 姐正a o s i 叠层m o s 结构，测得h f l a o 薄膜具有较高的k 值2 0 2 ， 在- 2 0v 的栅偏置电压下，栅的漏电流只有1 6 7 1 旷a c m 2 ，表现出较好的绝 缘性和较高的质量。其次，采用l ：1 、2 ：1 和5 ：1 三种不同的n b ：a 1 淀积周期比， 制备了不同组分的n b a i o 薄膜。n b a l 0 复合薄膜的生长速率近似为n b 2 0 5 和 a 1 2 0 3 薄膜各自生长速率的和，并且复合薄膜中各组分的比例可以通过改变两种 氧化物的a l d 生长周期得到很好的控制。n b 和a l 的反应前驱体虽然含有c 元 素，但基本没有在淀积薄膜中带来c 污染，不过n b 前驱体产生了较大的位阻效 应，导致n b 原子的掺入程度远小于a l 的掺入程度。而不论n b 、a 1 原子在n b a i o 薄膜中所占比例多少，它们都被完全氧化，且n b a l o 薄膜与衬底之间是突变的 界面。随着n b 2 0 5 与a 1 2 0 3 淀积周期比例的增加，n b a l o 薄膜的折射率和吸收系 数也随之增加，并呈现出一定的可调制性。 使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对n b a l 0 4 介质材料进行了研 究。构建了单斜晶相的n b a l 0 4 晶体模型，计算采用了超软赝势平面波法和广义 梯度近似( g g a ) 的p b e 方法。结构优化后的n b a l 0 4 晶格常数相对实验值略 微变大，增幅约为1 8 。计算得出n b a l 0 4 晶体为绝缘体，禁带宽度为3 6 8e v ， 其价带和导带主要由o 的2 p 轨道和n b 的4 d 轨道构成。经过对不同位置氧空位 缺陷的形成能分析，发现v 0 2 具有最低的形成能，并造成其附近的n b 离子中出 现一个带隙态，从而在禁带中央引入了缺陷态，成为隧穿导电机制中的缺陷能级。 同时v 0 2 周围的四个近邻氧原子均向内有少许的便移，移动的比例约为1 3 。 系统地分析了氨气退火工艺对a l d 工艺制备的h f 0 2 a 1 2 0 3 超薄叠层结构的 化学结构、热稳定性、材料物性以及电学性能的影响。将h f i 0 2 a 1 2 0 3 叠层在氨 气氛围中快速热退火6 0s ，退火温度分别为6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 和9 0 0o c 。详尽地讨 论了样品中a 1 、i - i f , n 、o 、s i 五种基本元素在不同退火温度下化学键的组成和 改变，x 射线光电子谱分析表明未退火的薄膜具有完全氧化态的h f - o 键与a 1 o 键：直到7 0 0 。c 退火时才能够向薄膜中掺入极少量的n ；退火温度达到8 0 0o c 时，薄膜中n 的含量达到1 1 5 ，n 元素分别进入h f 0 2 、a 1 2 0 3 和界面层并与 h f 、a i 、s i 结合成键：9 0 0o c 退火后n 大量掺入薄膜，同时界面层厚度明显增 加。在整个退火温度范围内，没有发现硅酸盐的产生，表明a 1 2 0 3 缓冲层能够很 好地阻挡衬底中的s i 向高k 薄膜中扩散，增强了高k 栅介质的热稳定性。未掺 氮薄膜的价带最大值为3 3 6c v ，价带顶部的位置随着薄膜中氮掺入含量的增加 而降低，表明n 的掺入将使价带顶向费米能级移动，并最终降低薄膜的禁带宽 度。退火前薄膜为非晶态，6 0 0 c 退火后，出现了h i d 2 层的单斜相并在8 0 0 。c 以上温度退火后转变为正交相。原子力显微镜分析表明随着退火温度的升高，叠 复旦大学博士学位论文 摘要 层表面颗粒的尺寸在增加，表面粗糙度也随之降低。通过高分辨率透射电子显微 镜直接观察到9 0 0o c 退火后样品的h f 0 2 层部分结晶，其结晶的比例约为5 0 ， 而a 1 2 0 3 层依然保持非晶态。制备了a l h f 0 2 ，a 1 2 0 3 s im o s 结构，测得在9 0 0o c 氨气退火之后，尽管产生了较厚的低k 界面层，但由于氮的掺入，叠层的整体电 容值还是提高了5 以上。退火前后的栅泄露电流并没有显著变化，在_ 4v 的 栅偏压下均小于lx1 0 - 5a c m - 2 。 关键词：高k 材料，原子层淀积，金属氧化物，x 射线光电子谱，m o s 电容， 第一性原理计算 中图分类号：t n 3 0 4 ，t n 3 0 5 复旦大学博士学位论文 摘要 复旦大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t i n u e ds c a l i n go fs ic o m p l e m e n t a r ym e t a l - - o x i d e s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) t e c h n o l o g yh a sl e dt h em i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r yt oi n t r o d u c ea l t e m a t i v em a t e r i a l st o i m p r o v et h ed e v i c ep e r f o r m a n c e i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l eo fs c a l i n gd o w n ， t h et h i c k n e s so fg a t ed i e l e c t r i ci sr e d u c e dw i las a m es c a l e t h ec o n v e n t i o n a lg a t e d i e l e c t r i cs i 0 2i nm o sf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ( m o s f e t ) i sr e a c h i n gi t sp h y s i c a l ， e l e c t r i c a la n dt e c h n i c a ll i m i t sf r o mt h ev i e w p o i n to fg a t el e a k a g ec u r r e n t a si ti sn o p o s s i b l e t or e d u c et h et h i c k n e s so fg a t ed i e l e c t r i ca n y m o r e ，w eh a v et of m da d i e l e c t r i cw i t hh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( h i g h - 幼t or e p l a c es i 0 2a sg a t ed i e l e c t r i c s t h e n e wm a t e r i a ls h o u l dh a v es u i t a b l ekv a l u e ，w i d ee n e r g yg a p ，f a v o r a b l ei n t e r f a c e q u a l i t y , s u p e r i o rt h e r m a ls t a b i l i t ya n dg o o dc o m p a t i b i l i t yw i mt r a d i t i o n a lc m o s t e c h n o l o g y a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o no u d ) i sap r o m i s i n gt h i nf i l mc o a t i n gp r o c e s sa l l o w i n g a t o m i c 1 e v e lt h i c k n e s sc o n t r o l ，w h i c hi sb a s e do ns e q u e n t i a lc h e m i c a lr e a c t i o n s b e t w e e ng a s - p h a s ep r e c u r s o r sa n das u b s t r a t es u r f a c e o w n i n gt ot h es e l f - s a t u r a t i o n a n ds e l f - l i m i t e dm e c h a n i s m , t h ef i l m sf o r m e db ya l da r eh i g h l yc o n f o r m a la n d u n i f o r m t h eb i n a r yo x i d e s ，t e r n a r yo x i d e sa n do x i d es t a c k sw e r em a n u f a c t u r e du s i n g a l d t e c h n i q u ea n dt h e i rp r o c e s so p t i m i z a t i o n ，m a t e r i a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d n l ec o n c l u s i o n s o b t a i n e di nt h i st h e s i sa r eo fh i g h a c a d e m i c a l l yv a l u ef o rt h ea p p l i c a t i o n so fh i g h - kd i e l e c t r i c si nn a n o - s c a l em o s d e v i c e s f i r s t l y , l a 2 0 3f i l m sa r ef a b r i c a t e db yp l a s m ae n h a n c e da t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( p e a l d ) ，n l ep r o c e s si ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e du s i n gl a ( t h d ) 3m e t a lp r e c u r s o r sa n d 0 2p l a s m a t h ea p p r o p r i a t eg r o w t hr a t ei se s t a b l i s h e da t18 0o cf o rp r e c u r s o r sa n d 3 0 0o cf o rr e a c t o ra n ds u b s t r a t e l a n t h a n u mi sf u l l yo x i d i z e dw h e ni th a sg r o w no n t h es u b s t r a t e i ti sf o u n dt h a tt h er e f r a c t i v ei n d e xo fl a 2 0 3f i l ma t6 3 3n n li s1 8 6 ，t h e o p t i c a lb a n dg a p i s5 4 5e va n dt h em a x i m u mo fv a l e n c eb a n di s2 8 0e v , r e s p e c t i v e l y i ti sa l s oi l l u m i n a t e dt h a tp o s td e p o s i t e da n n e a l i n g ( p d a ) i nn 三a t m o s p h e r ee v i d e n t l y i n f l u e n c e st h ep r o p e r t i e so ff i l m s af e ws i l i c a t e sa p p e a rw h e na n n e a l i n gt e m p e r a t u r e i sb e l o w8 0 0o ca n dt h es u r f a c eo fs i l i c o ns u b s t r a t ei si n t e n s i v e l yo x i d i z e dw h e n t e m p e r a t u r ea r r i v e s9 0 0 o c o nt l l eo t h e rh a n d ，t h em a x i m u mv a l u eo fv a l e n c eb a n d s l o w l yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e sf r o m6 0 0t o8 0 0o ca n dr e a c h e sa l a r g e rn u m b e ra t9 0 0o c a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i c a la n a l y s i so fa 1 l a 2 0 3 s im o s v 复旦大学博士学位论文a b s t r a c t s 仃u c 眦，t h ea s - d e p o s i t e df i l m sh a v eakv a l u eo fl9 4 ，w h i c hi sd e c e a s e dt o16 9d u e t ot h ee x i s t e n c eo fi n t e r f a c el a y e r ( n ) a r e ra n n e a l e da t9 0 0o c i nt h em e a nt i m e ，t h e h y s t e r e s i so fm o ss t r u c t u r ed e c r e a s e sf r o m0 16v t o0 0 4va n di n t e r f a c es t a t e d e n s i t yr e d u c e sf r o mi 1 0 1 2c m - 2t o3 1 0 1 1c m - 2 ，d e m o n s t r a t i n gt h a tt h e r m a l a n n e a l i n g w i l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ei n t e r f a c eq u a l i t yo fl a 2 0 3 s i s e c o n d l y , h f l a oa n dn b a i ot e r n a r yo x i d e sa r ed e p o s i t e db yt h e r m a la l da n d t h e i r p r o c e s sc o n d i t i o n ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s a n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i z e sw e r e i n v e s t i g a t e d h f l a ot h i nf i l m sh a v eb e e ng r o w no ns i l i c o nw i t hah f ：l ag r o w t hc y c l e r a t i oo fi ：i i - i fa n dl ai nt h ef i l m sa r ef u l l yo x i d i z e da n dt h e i ra t o m i cc o n c e n t r a t i o n r a t i oi sa r o u n d1 ：3 5o w nt ot h es t e r i ch i n d r a n c ee f r c c to f l a p r e c u r s o r i ti sf o u n d t h a t t h er e f r a c t i v ei n d e xo f h f l a of i l m sa t6 3 3n mi s1 8 9a n dt h eo p t i c a lb a n dg a pi s5 6 7 e v t h ec r y s t a l l i n et e m p e r a t u r ei su pt on e a r8 0 0o cp r o f i t e df r o ml ad o p i n gt ot h e h f 0 2f i l m s h f l a of i l m sh a v ea 七v a l u eo f2 0 2 ，t h eg a t el e a k a g eo b t a i n e di s1 6 7x 1 0 4a c m 2a t - 2 0v g a t eb i a s ，e x h i b i t i n gg o o di n s u l a t i o n n b a l 0t h i nf i l m sh a v e b e e ng r o w no ns i l i c o n ( 10 0 ) w i t hav a r i o u sn b 2 0 s ：a 1 2 0 3g r o w t hc y c l er a t i oo f1 ：l ，2 ：1 ， 5 ：1 ，r e s p e c t i v e l y t h eg r o w t hr a t eo fc o m p l e xf i l m si se s t i m a t e da p p r o a c h i n gt ot h e s u mo ft h ei n d e p e n d e n tg r o w t hr a t e so f n b 2 0 5a n da 1 2 0 3a n dt h ep r o p o r t i o no f n b a l 0 c a nb ew e l l - c o n t r o l l e db yv a r y i n gt h ea l d g r o w t hc y c l e so ft h et w oo x i d e s a l t h o u g h t h e r ea r ec a r b o nc o m p o n e n t si nn ba n da 1p r e c u r s o r s ，t h ep r e c u r s o r sd on o tl e a dt o c a r b o ni m p u r i t yi nt h ed e p o s i t e df i l m s a n di ti sf o u n dt h a tt h e r ei sl o w e rn i o b i u m i n c o r p o r a t i o nl e v e lc o n t r a s tt oa l u m i n u m s ，d u et ot h es t e r i ch i n d r a n c ee f f e c to fn b p r e c u r s o r t h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to f n a a l 0 f i l m si n c r e a s e w i t ha ni n c r e a s i n ga m o u n to f n b 2 0 5 ，w h i c hi n d i c a t eas l i g h tl e v e lo f t u n a b i l i t y a t o m i cs t r u c t u r ea n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fn b a l 0 4d i e l e c t r i c sa r ea l s o i n v e s t i g a t e du s i n gf i r s t - p r i n c i p l e sc a l c u l a t i o n sb a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y t h e m o n o c l i n i cs t r u c t u 他o fn b a l 0 4s i n g l ec r y s t a li sb u i l ta n dt h e nc a l c u l a t e du s i n g u l t r a - - s o r p s e u d o - p o t e n t i a lp l a n e - - w a v em e t h o da n dp b eg e n e r a l i z e dg r a d i e n t a p p r o x i m a t i o nf o re x c h a n g e t h er e l a x e da t o m i cg e o m e t r i e sa r e1 8 l a r g e rt h a n e x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tn b a l 0 4s i n g l ec r y s t a li sa ni n s u l a t o ra n di t s b a n dg a pi s3 6 8e v t h es t a t e si l e a l t h et o po fv a l e n c eb a n da n dt h eb o t t o mo f c o n d u c t i o nb a n da r ec o n t r i b u t e dm o s t l yf r o mo 矽a n dn b4 do r b i t a l s i ti sf o u n dt h a t v 0 2v a c a n c yh a st h el o w e s tf o r m i n ge n e r g yc o m p a r i n gt ot h eo t h e ro x y g e nv a c a n c i e s a n di n t r o d u c e sg a ps t a t ei nt h eb a n dg a pw h i c hi so n eo ft h es o u r c e so ft u n n e l i n g c u r r e n t a f t e rt h er e l a x a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h ef o u rn e a r e s to x y g e na t o m ss u r r o u n d i n g v 0 2d i s p l a c ei n w a r db yl 3 f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo fn h 3a n n e a l i n go n t h ec h e m i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r m a l s t a b i l i t y , m a t e r i a lc h a r a c t e r i z a t i o n sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f u l t r a t h i nh f 0 2 a 1 2 0 3 s t a c k sg r o w no ns i l i c o ns u b s t r a t eb ya l d a r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e da saf u n c t i o n o fp d at e m p e r a t u r e t h es t a c k sa r ea n n e a l e du s i n g ar a p i dt h e r m a lp r o c e s s 侧r p ) i na n h t 舭l b i e n tf o r6 0 si nat e m p e r a t u r er a n g eo f6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0 ，9 0 0 。c ，r e s p e c t i v e l y x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p ys h o w st h a tt h ea s d e p o s i t e df i l l sa r ef u l l yo x i d i z e d a n dn i t r o g e ni n c o r p o r a t i o nc a nb ea p p r o a c h e db yan i - 1 3a n n e a l i n gt r e a t m e n ta n d i t s c o m p o s i t i o no b v i o u s l y i n c r e a s e sa f t e ra n n e a l i n ga t7 0 0o c n i t r o g e na t o m sa r ef o u n d t ob o n dt oh a f n i u m ，a l u m i n u ma n ds i l i c o na t o m sw i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea b o v e 8 0 0 。c ，r e s p e c t i v e l y n oe v i d e n c eo fs i l i c a t e i sf o u n d ，d e m o n s t r a t i n gt h a tu l t r a t h i n a 1 2 0 3l a y e ri sar o b u s tb a r r i e rl a y e rf o rp r e v e n t i n gs i l i c o nd i f f u s i o n i na d d i t i o n ，x - r a y d i f f r a c t i o np a t t e r n si l l u s t r a t e t h a tt h ea s - d e p o s i t e df i l m s a r ea m o r p h o u sa n dt h e s t r u c t u r eo fp o s t - a n n e a l e df i l m st r a n s f o r m sf r o mm o n o c l i n i ct oo r t h o r h o m b i cp h a s e w i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a t o m i cf o r c em i c r o s c o p yi m a g e sd e m o n s t r a t e t h a tt h eg r a i ns i z eo fp r e p a r e df i l m si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp d a t e m p e r a t u r e m o r e o v e r , x p sv a l e n c eb a n ds p e c t r a i n d i c a t et h a tt h ev a l e n c eb a n dm a x i m u m d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n h i g hr e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p yi m a g eo ft h ef i l la n n e a l e da t9 0 0 。cc l e a r l ys h o w st h a tt h e r e e x i s t sa na m o r p h o u sa 1 2 0 3l a y e rb e t w e e np a r t l yc r y s t a l l i n eh f 0 2l a y e ra n ds i s u b s 仃a t e w h i c hc a ni m p r o v et h ei n t e r r a c i a lp r o p e r t i e s f r o mt h ee l e c t r i c a la n a l y s i so f a 1 h f 0 2 a h 0 3 s im o s s t r u c t u r e ，t h ew h o l ec a p a c i t a n c ei n c r e a s e sb y5 a l t h o u g h 1 4 m n t h i c ki n t e r f a c el a y e re x i s ta f t e ra n n e a l e di nn h 3 a t9 0 0 。c ，d e m o n s t r a t i n gt h a t p d ai nan h 3a m b i e n tw i l le v i d e n t l yi m p r o v et h ec a p a c i t a n c eo fs t a c k s t h e r e a r en o o b v i o u sd i f f e r e n c e si ng a t el e a k a g ec u r r e n tb e f o r ea n da f t e ra n n e a l i n ga n db o t ho f m e ma r el o w e rt h a nl 1 0 5a c m a t - 1 0vg a t eb i a s k e yw o r d s ：h i g h km a t e r i a l s ，a t o m i c l a y e rd e p o s i t i o n ，m e t a l o x i d e s ，x 。r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y , m o sc a p a c i t a n c e ，f i r s t - p r i n c i p l e s c a l c u l a t i o n s c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f i c a t i o nc o d e ：t n 3 0 4 ，t n 3 0 5 复旦大学博士学位论文 a b s t r a c t 复旦大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在过去的三十多年里，金属一氧化物一半导体场效应晶体管 ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f i e c tt r a n s i s t o r ，m o s f e t ) 一直是集成电路 芯片中的最主要的器件。随着微电子技术的进步，m o s 器件结构飞速减小，也 给以硅基m o s f e t 为基础的超大规模集成电路带来了性能上的腾飞和成本费用 的缩减。自产业化以来，m o s 器件的尺寸不断缩小，从而使m o s 器件的面积、 功率和每晶体管成本等指标都在不断降低。相比较4 0 年前的器件，当前的器件 速度提高了千倍以上，而占据的面积还不到原先的万分之一。 m o s 器件的规模缩小一直以来基本遵循着“摩尔定律”( m o o r e sl a w ) 的规 则。所谓“摩尔定律 ，是指原英特尔公司总裁戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 在 1 9 6 5 年的电子学( e l e c t r o n i c s ) 期刊上发表文章，预言“半导体芯片上集成的晶 体管和电阻数量将每年翻一番”【1 1 】。1 9 7 5 年他又修正为“芯片上集成的晶体管 数量将每两年翻一番。最近十几年，微电子技术进步的周期大约为集成电路芯 片的集成晶体管数目每1 8 个月翻一番。同时，“摩尔定律 还进一步扩展为其他 的表述方法，如“m o s 晶体管的特征线宽每三年减小为原来的2 倍”、“集成电 路芯片的性能每1 8 个月增加一倍等等。“摩尔定律 提出至今已经4 0 多年， 半导体和集成电路产业的发展基本遵循了“摩尔定律”。这也使得“摩尔定律 深入人心，成为半导体产业、目前甚至拓展到整个信息产业的黄金定律。 1 9 9 8 年4 月的世界半导体理事会( w o r l ds e m i c o n d u c t o rc o u n c i l ) 上，由美 国半导体工业协会( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，s i a ) 提议，邀请了欧 洲、日本、韩国、和台湾等国家和地区参加，建立了国际半导体技术发展路线图 ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，i t r s ) 。i t k s 提供了对 工业界需求的最新预测，以及未来若干年内的可能的解决方案，是关于半导体工 业战略发展规划的最重要的技术文件。从最新的i t r s2 0 0 9 年版以及2 0 1 0 升级 文件中可以看出，未来十年内，半导体产业的发展坐标依然遵循着“摩尔定律。 如图1 1 所示，i t r s2 0 0 9 给出的m o s 存储器器件的半间距( h a l f p i t c h ) 趋势图 依然遵循摩尔定律。 1 2 按比例缩小原则 m o s 器件的“按比例缩小”( s c a l i n gd o w n ) 原则一直以来是“摩尔定律” 的技术基础。缩小m o s 器件的尺寸，可以减小器件的面积和寄生电容等，从而 提高集成电路的集成度、改善集成电路的性能并降低生产的成本。“按比例缩小 复旦大学博士学位论文第一章绪论 原则”在微电子技术发展的历史中，有着十分关键的地位，并将继续发挥重要作 用。“按比例缩小原则按实施方法的不同，又可分为恒定电场理论、恒定电压 理论和综合缩小理论等。 _ _ 2 0 0 9f i r sf l a 蚋坛p i t c h ( r i m ) ( u n - c o n t a c t e c l 融i y 2 - y rc y d e 惦2 0 1 0 ；, l h e n3 - fc y c 嘲 2 0 0 9r r 鹪d 洲p 嘶( 帆) 忙慷咖) 伫5 y rc y c k 0 0 - 1 0 啪e n3 - y rc y c l e ；_ 垂 ! _ 图1 1m o s 存储器器件的半间距趋势图( 来自2 0 0 9 年i t r s ) 0 2 1 1 2 1 恒定电场理论 1 9 7 4 年，r d e n n a r d 等提出了m o s 器件“按比例缩小 的理论，要求m o s 器件的空间几何尺寸，包括沟道长度、宽度等横向尺寸和介质层厚度、结深等纵 向尺寸等，均按一定比例0 【缩小，同时掺杂浓度提高a 倍，所有工作电压减小为 原来的l 旭倍，等等。因此，器件中的电场强度在器件尺寸缩小后依旧保持不变， 该理论称为恒定电场( c o n s t a n te l e c t r i c a l - f i e l d ) 理论，简称c e 理论。根据c e 理论，器件的面积将减小为原来的1 a 2 ，门延迟时间减小为原来的1 a 2 ，而功率 密度保持不变。 但是，恒定电场理论会带来很多问题：( 1 ) 作为电路设计人员，希望电源电 压v d d 保持稳定。不要经常变动；( 2 ) 器件的某些材料参数和工艺参数，不能够 随尺寸而变化，如禁带宽度、杂质扩散系数、功函数等；( 3 ) 一些参数的比例缩 小，会降低器件的性能，如：衬底浓度的升高、接触孔面积的减小等。 1 2 2 恒定电压理论 恒定电压( c o n s t a n t v o l t a g e ) 理论又称c v 理论，是对恒定电场理论的修正。 c v 理论的特点是在器件的水平几何尺寸和垂直几何尺寸均按比例因子a 缩小的 2 。z；e工。l譬 复旦大学博士学位论文第一章绪论 基础上，保持电源电压不变，同时为了使耗尽层宽度缩小a 倍，需要把衬底的掺 杂浓度提高舻倍。c v 理论明显改善了m o s 晶体管的性能，集成度提高0 t 2 倍， 延迟时间降低1 c t 2 倍，延迟功耗乘积降低1 a 倍。 恒定电压的按比例缩小理论，解决了恒定电场理论的大部分缺点，但是它在 电压不变的基础上减小了电极之间的距离，导致器件