（电路与系统专业论文）纳米MOSFET量子效应模型与寄生电阻分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 集成电路对于高速、高集成度、大信息存储量的追求使得m o s 器件的尺寸 持续缩小，但是随着m o s 器件尺寸的缩小，许多原本在长沟m o s 器件中不重要 的参数在小尺寸器件中变得显著，并影响器件的性能。因此，有很多的研究报告 都在讨论如何使得m o s 器件在尺寸缩小的情况下，依然保持长沟道器件的良好 特性。在小尺寸m o s f e t 中，为了减小短沟道效应。采取了增加沟道掺杂和减小 栅氧化层厚度等措施。高的掺杂浓度和强的电场使得量子效应对器件的性能影响 不可忽视。长期以来，反型层和积累层中的量子效应对m o s 器件性能的影响被 广泛关注。近期，多晶硅中量子效应对器件性能的影响也被研究。此外，由于源 漏延伸( s d e ) 结构能有效地抑制热载流子效应和短沟道效应，它已成为小尺寸 c m o s 的标准工艺技术。但是，源漏延伸结构会引起寄生电阻的增加，并且，由 于寄生电阻不能随着m o s 器件的缩小而缩小，这使得寄生电阻在总的电阻中占 有很大的比例，严重影响器件的输出特性和频率特性。 本文首先介绍了m o s 器件尺寸缩小的趋势，面临的工艺技术和器件物理效 应上的挑战，介绍了m o s 器件结构、材料和工艺的发展趋势。 在对器件量子效应的分析建模上，作者首先对反型层中量子效应进行了分 析。基于三角势场近似，通过求解薛定谔方程，得到了载流子的分立能级和对应 的波函数，给出了反型层中载流子的分布。从反型层载流子分布出发，建立了表 面电容和对应阈值时的表面势解析表达式，分析了反型层量子效应对m o s 阈值 电压和有效栅电容的影响：接着作者利用数值模拟的结果和曲线拟合。对多晶硅 中量子效应进行了解析建模，得到了多晶硅栅中的载流子分布和电压降，研究了 多晶硅量子效应对m o s 器件闽值电压的影响，定量分析了栅电极电容对有效栅 电容的影响。 由于寄生电阻不能随着m o s 器件的缩小而缩小，使得寄生电阻对m o s 器件 性能的影响不可忽视，为了准确地预测源漏极寄生电阻，分析器件参数对寄生电 阻的影响，一个有效的m o s 器件寄生电阻模型对于m o s 器件的设计是十分必要 的。在寄生电阻的分析中，作者先介绍了长沟道寄生电阻模型和短沟道寄生电阻 模型，分析了短沟道m o s 寄生电阻模型在栅压较低时存在较大误差的原因。分 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 析认为，误差的原因在计算积累层电荷上。短沟道寄生电阻模型在计算时假设积 累层厚度为零，从而得到积累层电荷计算公式，这在栅压小的时候存在较大的误 差。根据分析结果，不再假设积累层厚度为零，给出了新的积累层电荷计算方程， 对短沟道寄生电阻模型进行了改进，改进的模型经过数值模拟验证，确实能更好 的预测m 0 s 器件的寄生电阻。最后作者模拟分析了器件结构参数对源漏寄生电 阻的影响，以期能对器件的设计进行指导，提高器件的性能。 关键词：m o s f e t 、阈值电压、栅电容、寄生电阻 i i a b s 订a e t a b s t r a c t t h ep u r s u eo fh i 曲s p e e d ，h i g hi n t e g r a t i o na n dl a r g em e m o r yo fi n f o r m a t i o n m a k et h es i z eo fm o s f e ts c a l ed o w nc o n t i n u o u s l y , w h i c hr e s u l t si nt h i sf a c tt h a t s o m ep a r a m e t e r sw h oc a nb ci g n o r e di n l o n g - c h a n n e l d e v i c e sb e c o m em o r e a g g r e s s i v e l yi ns h o r tc h a n n e lm o s f e t sa n dt h e na f f e c tp e r f o r m a n c e so ft h ed e v i c e t h e r e f o r e ，m a n ys t u d i e st a l k e da b o u th o wt om a i n t a i np e r f o r m a n c e so fl o n gc h a n n e l m o s f e t sw h e nt h es i z eo fm o s f e t sr e d u c e d t or e d u c et h es h o r t c h a n n e le f f e c t s t h en l e a s u r e sl i k ei n c r e a s i n gc h a n n e ld o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dr e d u c i n gg a t e o x i d e t h i c k n e s si sp r o p o s e d t h e nq u a n t u me f f e c t so nt h ed e v i c e sp e r f o r m a n c e ss h o u l db e c o n s i d e r e dd u et ot h eh i 曲d o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dt h es t r o n ge l e c t r i cf i e l d f o ra l o n gt i m e ，t h eq u a n t u me f f e c t s i nt h ea c c u m u l a t i o na n di n v e r s i o nl a y e ra r eo f s i g n i f i c a n tc o n 0 姐 n n o w a d a y s ，t h ei n f e c t i o no fq u a n t u me f f e c t so fp o l y e r y s t a l l i n e s i l i c o ni sa l s oi n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t h es d e ( s o u r c ed r a i ne x t e n s i o n ) s t r u c t u r e h a sb e c a m et h es t a n d a r dc m o sp r o c e s sw h i c hc a l lr e s t r a i nt h eh o tc a r r i e re f f e c t sa n d s h o r t c h a n n e le f f e c t se f f e c t i v e l y u n f o r t u n a t e l y , s d ew o u l dl e a dt ot h ei n c r e a s eo f p a r a s i t i cr e s i s t a n c e s m e a n w h i l e a s t h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c ec a n n o tb er e d u c e d f o l l o w i n gt h es c a l i n gd o w no f m o s f e t s ，i tc a u s e st h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c ea c c o u n t i n g f o ral a r g ep r o p o r t i o ni j lt h et o t a lr e s i s t a n c e a n dt h e nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa r er e d u c e d i n t h i sp a p e r , t h es c a l i n gd o w nt r e n do fm o s f e t sa n dt h eg r e a tc h a l l e n g e sf o r t h ep r o c e s sa n dp h y s i c a lm e c h a n i s m sa r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ed e v e l o p m e n t so f m o s f e t ss t r u c t u r e , m a t e r i a la n dt h ep r o c e s sa r ed i s c u s s e d t om o d e lt h eq u a n t u me f f e c t si ns h o r tc h a n n e lm o s f e t s ，t h eq u a n t u me f f e c t si n t h ei n v e r s i o nl a y e r si sa n a l y z e da tf i r s t b a s e do nt h ea p p r o x i m a t i o no ft r i a n g u l a r p o t e n t i a lw e l l ，t h es c h r o d i n g e re q u a t i o ni ss o l v e da n de l e c t r o ne i g e ne n e r g i e sa n d e i g e nw a v ef u n c t i o n sc a nb eo b t a i n e d ，t h e nt h ec a r r i e r sd i s t r i b u t i o ni nt h ei n v e r s i o n l a y e r si sg i v e n a c c o r d i n gt ot h i sd i s t r i b u t i o n ，t h ee x p r e s s i o n so fs u r f a c ec a p a c i t a n c e a n ds u r f a c ep o t e n t i a lc o r r e s p o n d i n gt h r e s h o l dv o l t a g ea r ep r e s e n t e d t h e at h e t t 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 i n f l u e n c eo fq u a n t u me f f e c t si nt h ei n v e r s i o nl a y e r so nt h em o s f e tt h r e s h o l d v o l t a g ea n de f f e c t i v eg a t e c a p a c i t a n c ea t - ea n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , a n a l y t i e a lm o d e l o f t h eq u a n t u me f f e c t si np o l y c r y s t a l l i n es i l i c o ni sp r e s e n t e d , o b t a i n i n gt h ec a r d e r d i s t r i b u t i o na n dv o l t a g ed r o pi 1 1p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n df i g u r ef i t t i n g ，t h ei n f l u e n c eo fq u a n t u me f f e c t si np o l y c r y s t a l l i n es i l i c o no n m o s f e t st h r e s h o l dv o l t a g ea n dt h ei n f l u e n c eo fg a t ee l e c t r o d ec a p a c i t a n c e0 1 3 t h e e f f e c t i v eg a t e - c a p a c i t a n c ea r er e s e a r c h e d a st h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c ec a n n o tb er e d u c e dw i t ht h es c a l i n gd o w no f m o s f e t s ，t h ei n f l u e n c eo fp a r a s i t i cr e s i s t a n c eo nt h em o s f e t sp e r f o r m a n c e s h o u l d n tb en e g l e c t e d t op r e d i c tt h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c eo ft h ed r a i na n ds o l l r c e e l e c t r o d ep r e c i s e l ya n da n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d p a r a s i t i cr e s i s t a n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v ep a r a s i t i cr e s i s t a n c em o d e l w h i l ea n a l y z i n gt h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c e ，t h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c em o d e lo ft h e l o n g c h a n n e la n d s h o r t c h a n n e lm o s f e t sa r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h er e a s o n w h yt h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c em o d e lo fs h o r t c h a n n e lm o s f e t se x i s t sg r e a te r r o ri s p r o p o s e dw h e nt h ev g i sl o w e r t h er e a s o nc a nb ea s c r i b et ot h ec a l c u l a t i o no ft h e c h a r g eo fa c c u m u l a t i o nl a y e r i nt h ep a r a s i t i cr e s i s t a n c em o d e lo fs h o r tc h a n n e l m o s f e t s ，t h et h i c k n e s so fa c c u m u l a t i o nl a y e ri sa s s u m e dt oz e r o ，b u tt h ee r r o ri s l a r g e a tt h el o wv g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i s ，t h et h i c k n e s so ft h e a c c u m u l a t i o nl a y e rc a n n o tb ea s s u m e dt oz e r oa n dan e we q u a t i o nt os o l v et h ec h a r g e o ft h ea c c u m u l a t i o nl a y e ri sg i v e n t h er e s u l t ss h o wg o o da c c o r d a n c ew i t ha c t u a l p a r a s i t i cr e s i s t a n c e a tt h ee n d ，t h ei n f l u e n c e so fd e v i c es t r u c t u r ep a r a m e t e r so l l p a r a s i t i cr e s i s t a n c ea r es i m u l a t e da n da n a l y z e d , w h i c hc a n b eu s e di np r a c t i c a ld e v i c e d e s i g na n di m p r o v ed e v i c ep e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：m o s f e t , t h r e s h o l dv o l t a g e ，g a t ec a p a c i t a n c e ，p a r a s i t i cr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得童彳毅赤羝其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：渤、尿二；趾 签字日期： 泖年4 月溯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解商p 书敞大魅有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借闽。本人授权蓐擞式凝以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沧文在解密后适用本授权书) 学位沦文作者签名：乃小尿渺 导师签名：酾喜j 签字日期：。h 开夕年4 月如日签字日期：即7 年4 月知日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 电话： 涌讯地址：邮编： 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 集成电路的迅速发展造就了电脑、通讯与网络业的蓬勃发展，而它们进步的 原动力是半导体器件尺寸的不断缩小。因为缩小的半导体器件能改善开关速度与 元件消耗功率，电路的元件集成度与功能( 如信息存储、逻辑运算，信号处理等) 也都加强了。几十年来，c m o s 集成电路一直遵循摩尔定律不断迅速发展，m o s 晶体管的沟道长度在七十年代从几十微米缩小到几微米，八十年代从几微米到 l u m 的范围，九十年代扶亚微米进入到深亚微米范围。而今，c m o s 技术已经进 入1 0 0 r i m 以下的技术水平。如图1 1 是i n t e l 近几年相继发布的s r a m 测试芯片， 其中2 0 0 6 年1 月发布了最新的4 5 n m 测试芯片，其集成度达到i b i l l i o n 每芯片的 水平，并计划在2 0 0 7 年下半年完成部分4 5 n m 工艺线的建设投产。而根据2 0 0 5 年i t r s 预测，到2 0 1 5 年集成电路的器件特征尺寸将缩小到2 5 n m t l 】。 图1 1 近几年i i l t e l 发布的s r a m 测试芯片 f i 9 1 1i n t e l ss r a m t e s tc h i p si 丑n e a l - y e a r s 随着m o s 器件特征尺寸进入了纳米量级，与长沟道器件相比，器件的结构 有所变化，各种在较长沟道下不明显的短沟道效应开始出现，很多物理问题变得 更加突出。一是器件内部电场增强弓i 起的一系列问题，如薄栅氧化层的可靠住、 量子效应的影响以及迁移率退化等问题。二是很多参数不能随器件尺寸一起按比 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 例缩小，从而对器件和电路的性能带来影响，如阂值电压不能按比例缩小，因为 阈值电压降低会引起电路抗噪声容限和动态范围减小，而且还会引起静态功耗增 加：电源电压和漏，源的耗尽区宽度也不能按比例缩小；源漏寄生串联电阻不能 按比例缩小。如何改进器件结构来适应新的挑战，将是小尺寸器件设计的重要课 题。 从2 0 世纪9 0 年代初起，各种类型的便携式电子产品在人们的日常生活和工 作中发挥着越来越重要的作用。在这之前，电路的功耗相对于性能和尺寸等设计 要素而言，其重要性还居于次要地位。然而时至今日，为了注重电子设备的可便 携性，高效率的能量使用方式成为着重考虑的主要设计指标。功耗问题还包含了 可靠性和生产非便携式高端应用设备的成本等诸方面的问题。因此，功耗问题也 就成为集成电路最为重要的设计和性能参数之一。显而易见，基于对可便携性、 可靠性、成本以及环境保护等多种因素的综合考虑，低压低功耗已经成为了v l s i 工作方式的发展方向。 1 2 器件尺寸缩小面临的挑战 1 2 1 器件尺寸缩小对工艺技术的挑战与发展 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够持续缩小，这不仅对光刻技术提出了更高的要求，而且为 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) 也要和 横向尺寸( 沟道长度和宽度) 一起按比例缩小。随着集成度的提高，电路复杂性增 加，连线的层数也要增加。由于芯片面积不断增大，要求硅片( w a f e r ) 尺寸也不断 增大，这将对工艺生产设备和加工方式提出新的要求拉。7 j 。 1 、光刻技术：光学光刻技术通过不断缩短光源的波长和提高透镜的数值孔 径，使分辨率不断提高。采用带有子场扫描的1 9 3 r a n 波长的步进光刻机可以保 证实现1 3 0 r a n 的特征尺寸。如果进一步采用分辨率增强技术，如移相掩膜或表 面成像光刻胶等，还可以使光学光刻的极限进一步向前推进。不过，要实现1 0 0 r i m 以下的特征尺寸，必须发展新的光刻技术。对下一代的光刻技术目前有不同的选 择，极紫外线( e u ve x t r e m eu l t r a v i o l e t ) 、x 射线、电子束或离子束都是下一代 2 第l 章绪论 光刻的候选技术。e u v 和x 射线光刻仍然需要掩膜，电子束和离子束可以实现 对芯片“直写”，但是产量太低。很多半导体公司已经致力于研究高效率、低成 本，适于大批量生产、实现1 0 0 r i m 以下特征尺寸的新一代的光刻技术和设备。 对1 9 3 r i m 波长的光源，光子将有足够的能量对某些无机物材料曝光，如w 氏，这就有必要发展新的光致抗蚀剂( 光刻胶) 和“甩胶”工艺。过去光刻一直是 保持“湿法”工艺，采用甩胶的方法把光刻胶覆盖在硅片上。当硅片直径增大到 3 0 0 r a m 以上时，这种传统方法很难保证胶厚度的均匀性。如果可以用“干法” 工艺一采用新的光刻胶材料，用化学气相淀积( c v d ：c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n l 方法把亚1 0 0 ms 0 1m o s f e t 新结构及其性能研究光刻胶覆盖在硅片上，将可 以保证更大尺寸硅片上光刻胶层厚度的均匀性。 2 、刻蚀技术：为了实现越来越细的线条和不断增加的深宽比的孔，已经用 干法刻蚀代替了传统的湿法刻蚀。现在不断研制各种低压、高密度等离子体源用 于干法刻蚀，如螺旋感应祸合等离子体，电子回旋谐振等。为了保证薄介质膜的 完好性，以及实现更大深宽比的要求，更希望发展中性流刻蚀工艺，同时还要考 虑环保、安全、有利健康等方面的需求来选择未来的工艺方法。 3 、氧化，扩散：过去采用的批处理高温氧化扩散工艺将逐步减少。对一些要 求较深的扩散区或较厚氧化层的工序还将采用小批量高温工艺，这样有利于降低 成本。由于源漏区结深也随着沟道长度的缩小而减少，为了实现浅结和精确的 沟道掺杂剖面的控制，单片加工的离子注入工艺已经逐步取代了批处理的扩散工 艺。现在先进的c m o si c 己采用浅的沟槽隔离代替厚的场氧隔离，这将进一步 减少高温处理过程。对纳米c m o s 将采用很多新的器件结构，这些新的器件都 不需要厚的氧化层和深的扩散区，原来长时间的批量性的高温处理将逐渐被淘 汰，而采用单片多区加热的快速热处理。这样不仅减少了高温过程对电路性能的 影响，还有利于保证较大硅片上器件性能的均匀性。一些新的工艺如等离子掺杂、 气体浸没激光掺杂以及淀积的源、漏区等，也正在崭露头角，这些新工艺将对现 行的离子注入工艺构成挑战，有可能成为今后的发展方向。 4 、薄膜淀积：现在己普遍采用化学气相淀积方法淀积介质或其他材料薄膜。 对导体膜，则采用新的物理气相淀积方法。今后c m o si ( 2 仍将普遍采用铜连线 和低介电常数的介质材料，因此要发展适于铜互连的新工艺技术。为了实现多层 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 互连，要保证硅片表面平整，化学机械抛光也是今后v l s i 工艺中的一项重要技 术。当然，未来将可能实现芯片上的光互连，到那时很多信号就不需要用金属线 了。 1 2 2 器件尺寸缩小带来的物理效应 m o s 器件的特征尺寸缩小到纳米量级以后，除了工艺技术问题以外，还有 许多器件物理效应需要解决【8 氆】： 1 、影响阈值电压的短沟道、窄宽度效应。当沟道不断缩小后，由栅压引起 的沟道耗尽区与源衬、漏衬p - n 结形成的耗尽区发生重叠，有效栅控电荷减少， 导致阈值电压的明显下降，且短沟道器件阈值电压对沟道长度的变化非常敏感。 对于纳米器件，泄漏电流中最主要的也是与闽值电压有关的是亚阂值电流，对应 y g s = 0 的亚阈值电流即器件截止态泄漏电流可表示为： 厂、 ，。“肭p 产l ( 1 - - 1 ) l i n l 0 是阂值电压的绝对值，厶是在阈值条件下单位宽度器件的电流，w 是器件的 宽度，s 是亚闽值斜率。由于亚阈值斜率不能按比例缩小，对体硅c m o s 器件， 在室温下s 的值一般在8 0 1 0 0 m v d e e ，当阂值电压随着器件尺寸的减小而下降 时，将使m o s 晶体管截止态的泄漏电流指数增大，从而引起电路静态功耗的增 加。因此，静态功耗的限制使阀值电压不能太小。 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：另一个是饱和电 流不再随栅电压的平方增加，而是线性依赖关系，即 。l = w c o 。( 一圪k ( 1 2 ) 式中，v 是反型载流子的饱和漂移速度。反型载流子的饱和漂移速度也是限制小 尺寸器件性能改善的一个重要因素。当沟道长度缩小至出现准弹道输运现象时， 迁移率场相关效应对载流子速度产生更复杂的影响。 4 第l 章绪论 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以后， 器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强，特别是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。一方面是热载流子越过s i s i 0 2 势垒，注入到氧化层中，不断积累， 改变闽值电压，并且由于小尺寸器件是薄栅，容易栅击穿，从而影响器件的寿命： 另一方面，在漏端附近的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对n m o s 管来 说，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，其 中，总电流为饱和漏电流与衬底电流之和。衬底电流越大，说明沟道中发生碰撞 次数越多，相应的热载流子效应越严重。热载流子效应会导致器件特性( 如阈值 电压、跨导和线性区及饱和漏电流等) 的退化，使电路性能随时间逐渐退化。热 载流子效应是限制器件最高工作电压的基本要素之一。 4 、造成亚闽值特性退化的漏感应势垒降低效应( d i b l ) 。亚阈值区泄漏电 流使m o s 器件关态特性变差，静态功耗增大。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效应成为决定 短沟道m o s 器件尺寸极限的一个基本物理效应。 5 、杂质随机分布的影响m 12 1 。随着m o s 器件尺寸的减小，将使电路对器 件参数的变化更敏感。即使我们能够很好的控制外部工艺条件，如光刻精度、淀 积厚度等等，来消除外部工艺变化引起的器件参数偏差的影响，但是来自器件内 部的影响仍然会造成参数的起伏变化。对于沟道长度小于1 0 0 r i m 的小尺寸m o s 器件，其沟道区内的杂质原子总数只有几十个到上百个。这样少量的杂质数目， 其数量的相对涨落将可能达到百分之几十。由于离子注入、扩散等工艺的随机本 质，使沟道区内的杂质原子不是理想的连续均匀分布，而是具有分立的微观随机 分布的本质。杂质原子的随机分布会引起与杂质浓度有关的器件参数发生变化， 特别是引起器件的闺值电压的离散性。器件尺寸越小，一个芯片内的m o s 晶体 管数目越多，器件参数的偏差就会越大。很多电路如s r a m 单元、灵敏放大器 以及某些数字电路和模拟电路，都要求器件参数对称、杂质随机分布造成的阈值 电压的变化，使器件参数失配，从而影响电路的性能。 6 、薄栅氧化层问题的出现【1 3 - 1 6 。若遵循等比例缩小规律，栅氧化层要和沟 道长度以同样的比例下降，由于c m o s 在按比例缩小过程中，电源电压没有和 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 器件尺寸以相同的比例减小，同时硅中掺杂浓度的提高使得器件内部的电场增 强。当m o s 晶体管沟道长度缩小到l o o n m 以下时，栅氧化层中的电场强度己接 近5 m v c r a ，而硅中的电场强度也会超过1m v e m 。当沟道长度缩小到纳米尺度 时，电场会进一步增大，强电场下的量子效应将对器件性能带来显著影响，除了 对栅氧化层隧穿电流和量子隧穿造成的p - n 结泄漏电流这两个不容忽视的有关 静态功耗的问题外，量子效应还引起器件闽值电压变化和有效栅电容的下降。 7 、多晶硅耗尽( 量子) 效应【1 7 - 19 】。目前，m o s 晶体管都采用多晶硅上加一 层硅化物做栅电极的方法。过去都把多晶硅作为良导体处理，其功函数由简并的 n 型硅或p 型硅决定。实际上，即使是重掺杂多晶硅，其性能也和理想的导体不 同。在栅氧化层不断减薄的情况下，必须考虑多晶硅栅耗尽效应造成的栅电容减 小。尤其是当器件进入亚1 0 0 h m 以后，由于栅介质层不断减薄，栅介质层中的 电场强度达到约5 m v c m ，而硅表面的电场强度也达到1m v c m 。在如此高的电 场作用下，由于有效掺杂浓度的限制，在多晶硅一栅介质处被耗尽，形成空间电 荷区，在电学上表现为等效栅介质厚度增加了，这就是所谓的多晶硅耗尽( 量子) 效应。 8 、源漏寄生串连电阻【廿捌。理想情况下m o s 的驱动电流是由反型层沟道 电阻决定的。在c e 理论下沟道电阻随着器件特征尺寸和外加电压按比例下降应 保持不变，但是实际情况是吃下降的速度比较慢，所以沟道电阻下降了。在实 际的器件中影响器件驱动电流的还有源漏区串联电阻，由于寄生串连电阻并不具 有按比例缩小的特性，成为限制器件驱动电流提高的重要因素。当寄生电阻达到 沟道电阻甚至超过它时，驱动电流主要由寄生电阻控制，特征尺寸的缩小对提高 电流驱动能力的作用就相当有限了。 为降低这些物理效应的影响，实现短沟道器件所要达到的器件性能，需要在 器件结构、材料和制造流程上加以改进。 1 3 纳米m o s f e t 研究与发展趋势 基本上，器件结构的发展过程是三维结构的缩小，除了平面的长宽外，还 包括剖面的栅氧化层厚度与源漏结深。长宽的小型化主要着眼在集成度的提高， 同时沟道长度的减小也能增加器件的驱动电流。其中短沟道效应的控制在于调节 6 第l 章绪论 器件剖面方向上的结构参数，如减小栅氧化层厚度与源漏结深以及增加衬底的 浓度。但是任何的改变都有它的限制与困难，见表1 1 ，必须要作全面的考虑， 以得到最佳化的结果。、 表1 1m o s 结构参数和电学参数发展趋势 t a b i ，i t r e n do f m o ss t r u c t u r ea n de l e c t r o n i c p a r a m e t e r 结构与电学参数发展趋势主要目的 所遇到的问题 沟道长度减小提高集成度 光刻精度、短沟道效应、 增加驱动能力 逆短沟道效应 沟道宽度减小提高集成度 光刻精度、窄沟道效应 隔离间距减小 提离集成度光刻精度、隔离效果 结深减小 改善短沟道效应寄生电容、寄生电阻 杂质分布陡峭度 漏电流、浅结形成 衬底掺杂浓度提高改善短沟道效应 寄生电容、漏电流、 击穿电压、杂质迁移率 电源电压减小改善短沟道效应驱动能力下降 降低功耗噪声性能下降 改善热载流子效应 阈值电压减小增加驱动能力漏电流 1 3 1 栅极介电层 随着器件尺寸的按比例缩小，栅极介电层的厚度也在减小，栅极介电层厚度 缩小的主要目的时提高器件的驱动能力，同时也改善短沟道效应。根据i t r s 2 0 0 5 预测，到3 2 r a n 技术代。栅介质的有效栅氧厚度( e 1 d ) 为0 5 卸6 n m 。传统的s i o ， 应用在纳米器件的主要限制在于变薄后的泄漏电流控制，氧化层厚度的减小导致 直接遂穿的几率的增加引起栅极电流的急剧增加。对于m o s 器件而言，栅极电 流正比于沟道长宽乘积，而漏级电流则正比于宽长比，所以两者的比例和沟道长 度的平方相关，则即使氧化层厚度在1 5 r i m 左右的时候，元件仍然可以维持切换 7 纳米m o s f e t 量子效应模型与寄生电阻分析 特性。但是，整体的功耗将限制电路元件的集成数目。另外，栅氧化层的可靠性 也是一个重要的问题，因为在器件正栅偏置的工作状态下，电子的不停隧穿可能 会在栅介质中产生大量的电荷陷阱和界面态这样的缺陷，这种积累达到一定的密 度后会造成栅介质的永久损伤。这则表示减小栅氧化层厚度已经失去了意义。 因此，发展替代二氧化硅的高介电常数介电层技术十分必要。使用高k 材料 可以增加栅极电容，因此有潜力提升器件的驱动能力。另外，在相同的电容下， 高k 材料的实际厚度远大于氧化层的厚度，这样在一定的电压下，可以减小介 电层内的电场强度，有潜力降低栅极泄漏电流，目前有大量对h i 曲一k 材料进 行研究的报道2 3 - 2 6 。实际应用的h i 曲一k 材料则必须满足下列要求：( 1 ) 介电 常数介于2 0 8 0 ，太低会影响发展的潜力，太高则显著的边界电场效应将严重 影响器件的短沟道效应；( 2 ) 有效厚度小于1 2 n m ；( 3 ) 漏电流低，且电流对温 度不敏感；( 4 ) 界面态低：( 5 ) 击穿电场强度大于1 0 m v c m ，高场下的缺陷产 生率低，热载流子抵抗性佳；( 6 ) 热稳定性能佳，不易与衬底或电极反应；( 7 ) 易于制备及其加工。对于采用高介电常数介电层的器件，依据介电层稳定性的优 劣，可以采用两种栅极结构：对于稳定性能差的材料可以使用堆叠结构，其中有 一界面层和衬底接触，另外在栅电极界面有一个阻挡层；对于热稳定性能佳的栅 介电层材料，则可以采用单纯的结构无需界面层与阻挡层，可以采用普通的栅极 结构。目前勋，a 、t i o ，、z r 0 ，、h f 0 2 等材料被广泛的研究，有些材料已经应 用在目前的集成电路生产中。 1 3 2 栅电极结构 目前的c m o s 电路技术采用的是双多晶硅栅极技术，n m o s 和p m o s 都是 表面沟道器件，阈值调整十分方便。但是主要的问题是硼穿透效应和多晶硅耗尽 ( 量子) 效应，前者会导致p m o s 器件的闽值电压漂移，漏电流增加及介电层 损伤，后者则会造成有效栅极氧化层厚度的增加，这样会导致栅极电容值的减少 与驱动能力的衰退。另外，多晶硅材料本身的电阻率偏高，虽然现在一般采用堆 叠一金属层或自对准金属硅化物技术来降低电阻。但是随着器件尺寸的缩小，硼 穿透和多晶硅耗尽等现象将更加严重。p o l y g e s i 栅极通过引入锗可以增加杂质 在栅中的固溶度和活化率，从而改善多晶硅耗尽效应，且载流子活化温度比多晶 第1 章绪论 硅低，符合未来低温制程，同时p o l y - g e s i 栅极也能减轻硼穿透现象。但是， p o l y - g e s i 栅极主要的问题在于s a l i c i d e 制造过程中的热稳定性劣化，因为制造 过程中形成的金属锗化物熔点低，在低温下就容易形成团块，使得片上电阻增加， 在应用上还有待解决。近来国际上大量研究用金属栅极取代多晶硅以免除多晶硅 耗尽效应同时降低寄生电阻【2 他9 1 ，透过与h i g h k 介电层共同使用来提高器件的 性能，同时能避免多晶硅与h i g h k 介电层的反应，p m o s 与n m o s 采用不同的 金属，但是这样增加了工艺难度。另外，目前多栅极技术如双栅，三栅，f i n f e t 等通过用多个栅极来加强栅极对沟道电荷的控制以提高器件的性能被广泛研究， 未来将成为主要的栅极技术【3 0 - 3 2 】。 1 3 。3 浅结的形成与自对准金属硅化物技术 源漏极区的形成对于短沟道效应的控制以及器件的驱动特性极为关键，源 漏可以分为延伸区和接触区两部分，接触区是金属接触所在，一般有一定的深度， 一方面减小寄生电阻另外在s a l i c a d e 过程中避免硅层消耗造成的漏电流增加。 在制造上，接触区的形成较不是问题。和沟道相连的延伸区浅接面深度较接触区 浅，主要是考虑短沟道效应的控制。根据i t r s 发展规划，1 0 0 n m 器件应用时， 延伸区的深度必须在4 0 r i m 以内，而接触区在8 0 n m 左右。另外一方面，形成接 面时必须降低寄生电阻以增加驱动能力。基本上，这和减小接面深度是相矛盾的。 当接面深度变浅时，能做的就是尽量增加延伸区载流子活化量到固溶度左右以及 最佳化延伸区长度和扩展长度，如图1 2 所示。 传统接面是通过离子注入的方式得到的，它的深度和离子质量及加速能量有 密切的关联。目前低能、大质量离子注入技术及其后续退火技术的发展使得离子 注入机数仍然是未来器件接面形成的主要技术。近来在源漏形成流程上有改变的 趋势，传统的方法是先形成延伸区，再形成侧墙，最后是接触区，这个过程存在 的问题是在深结注入的时候会产生大量的缺陷，之后退火时会造成延伸区结深增 加；而未来的制造上可能先形成侧墙与接触区然后刻蚀侧墙，形成延伸区，再长 第二次侧墙【3 ，】，如图1 3 所示，这样能有效的控制延伸区的深度。 纳米m o s f e t 量了效应模型与寄生电阻分析 衡极 ( ”延伸医结i 笨 ( 2 ) 延伸医侧舟长度 3 ) 延异区傩问掺杂浓度分布陡鹕度 ( 4 ) 探源瀛结踩 ( 5 ) s i l i c i d e 与结深间距 ( 6 ) 佳层损耗厚度 ( 7 ) 侧墙辟鹰 ( 3 ) h ( 1 ) l ( 6 ) 图1 2 设计m o s 器件源漏极时需要考虑的主要参数 f i g 1 2 t h e m o s t l y p 删e r w h e n d e s i g n m o sd e v i c es o u r c e d r a i n 姓3 靶 共避 史妊 。= 妊 图1 3 ( a ) 传统工艺流程，( b ) 改进的工艺流程。 f i g 1 , 3 ( a ) c o n v e n t i o n a l p r o c e s s f l o w ，c o ) n e w p r o c e s s f l o w 浅接面技术虽然在深度控制上有很大的进展，但是接面电阻的控制还是一个 需要解决的问题，为了兼顾短沟道效应和驱动能力的要求，如图1 4 所示的提升 式源漏被视为一种良好的选择【3 4 1 ，但是对器件性能的改善有限，且器件延伸区掺 杂分布不够陡峭，在未来应用上值得考虑。 s a l i e i d e 的主要目的在于降低器件的寄生电阻以提升器件的驱动能力，另外 在布局设计上，也可以节省元件的面积，减小寄生电容口5 1 ，进一步改善器件的高 频特性。在现今的集成电路制造中已经不可或缺。对于小尺寸m o s 器件，良好 的s i l i c i d e 来减小器件的寄生电阻十分重要。 l o 第j 章绪论 图1 4 ( a ) 提升式源漏m o s 器件剖面图，( b ) 经过s i l i c i d e 处理后的提升式源漏m o s 器件 f i g 1 4 ( a ) r a i s e ds o u r c e d r a i nm o sd e v i c es e c t i o n , ( b ) r a i s e ds o u r c e d r a i nm o sd e v i c e s e c t i o na f t e rs