半导体器件物理第2章

2.4纳米CMOS技术中的新型栅电极材料1CMOS技术中的栅电极在CMOS集成电路中，栅电极层同时也作为导电层使用，要求栅电极材料在与工艺兼容的条件下，要具有低的电阻率和小的寄生效应。随着CMOS技术的发展，栅电极的薄层电阻由于线宽度缩小而增加。对栅电极层的电阻率的要求成为CMOS技术中非常严峻的问题。在初期，MOSFET的栅电极一般采用金属Al。Al与Si有好的兼容性。为减小由于栅与沟道交叠而产生的寄生效应，人们发明了自对准工艺。在自对准工艺中，由于铝不能满足后续高温处理的要求，被新的栅电极材料多晶硅所代替。由于多晶硅材料电阻率较高，单纯的多晶硅已不能满足器件尺寸缩小和电路速度提高的需要，难熔金属硅化物被引人。采用polycide/silicide结构替代单纯多晶硅栅成为新的栅电极结构。随着器件特征尺寸进人深亚微米以后，多晶硅复合结构的电阻率仍然高，同时由于多晶硅耗尽效应、硼扩散等的问题需要寻找新的材料体系。阂值电压通常用沟道杂质注人的方法进行调整。随着器件特征尺寸进入亚100nm后，沟道中的杂质涨落成为影响性能的重要因素。栅工程和沟道零掺杂使闽值电压的调整通过选择合适的栅电极材料，利用功函数与Si的能带匹配来进行，而不需要沟道掺杂的方法进行，可以做到零掺杂，从而解决沟道中杂质涨落的问题。2多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应设多晶硅栅中的掺杂浓度为Npoly，硅沟道的掺杂浓度为NA，栅氧化层的厚度为tox。多晶硅和二氧化硅界面附近的耗尽层的厚度为xpoly。当加上栅压VGS后，耗尽薄层上的压降为Vpoly，真正加在栅氧化层顶部的电压是减少了Vpoly后的有效栅压VGSeVpoly随栅氧化层厚度toX的变化关系多晶硅掺杂浓度越低降，栅氧化层上的电压越大；对于超薄栅氧化层，多晶硅耗尽效应不可忽略。栅氧化层厚度越小，多晶硅栅的掺杂越少，影响越大。有效栅压VGSe与栅压VGS间的关系由于多晶硅耗尽效应的影响，使得真正加到MOSFET上的偏压只是所加栅压VGS的90％。多晶硅栅电极掺杂浓度不同时MOS电容的C一V特性栅氧化层的厚度为3nm，由于多晶硅耗尽效应，随着多晶硅栅掺杂浓度的降低，栅电容相应减小，致使器件的性能退化。3对新型栅电极材料的基本要求新型栅电极材料需要有很好的导电性，电极材料的薄层电阻应为4一6欧/Ɨ外，还需要选择材料的功函数，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，并且与栅介质层还要有好的黏附性。(1)新型栅电极材料的功函数通常采用的金属等新型栅电极可以分为两类：一是禁带中央的单一材料的栅电极，二是双栅电极材料。对于单一材料的栅电极，所选用的材料（如TiN）的功函数正好使其费米能级与Si的禁带中央对齐，这类材料通常称为禁带中央金属。功函数值为4.6eV，NMOS与PMOS具有对称的阈值电压。功函数在Si禁带中央附近的金属材料有：Co、Os、Cr、Ru、Rh、Au等。金属氮化物的功函数相应的要稍高一些，而金属硅化物的功函数则与其相应金属相近。TiNx是常用的Si禁带中央金属氮化物。此外，TiSi2,ZrSi2、CrSi2,MoSi2,WSi2等的功函数也在Si禁带中央附近。单一的栅电极材料，可以简化CMOS工艺，只需淀积一种金属、进行一次光刻便可以形成所需要的栅电极。能带图部分新型栅电极材料的功函数Si的禁带宽度为1.1eV，在体Si上采用各种功函数在Si禁带中央的栅电极材料，其相应的阈值电压对于NMOSFET和PMOSFET均为0.5V左右。但是对于超深亚微米CMOS，通常的工作电压小于1.0V，阈值电压希望在0.2V-0.3V左右，0.5V太高，器件难以正常开启。通过沟道杂质的注人调整器件的阈值，引人迁移率退化、短沟效应难以抑制等问题。在超薄硅层的全耗尽SOI或双栅MOSFET器件中，单一的功函数在Si禁带中央的栅电极材料能够获得合适的阈值电压，而且NMOSFET和PMOSFET的闭值电压对称，简化工艺。双栅电极材料指分别使用两种不同的电极材料，其作用相当于n+和P+多晶硅栅，使其中的一种材料的功函数在Si的导带附近，而另一种材料的功函数在Si的价带附近，分别控制NMOSFET和PMOSFET阈值电压。栅电极材料1的功函数在4.leV(Si的亲和能）附近，从而对应于NMOSFET的较低的阈值电压。对于PMOSFET，则希望栅电极材料2的功函数在5.2eV，即Si的价带附近。Al功函数为4.20eV左右，Al栅形成的NMOSFET的阈值电压在0.2V左右；而Pt的功函数为5.32eV左右，采用Pt栅形成的PMOSFET的阈值电压也在0.2V左右。功函数在Si导带附近的金属材料有：Al、Ta、Mo、Zr、Hf、Ti等。功函数在Si价带附近的金属材料有：Co、Pd、Ni、Re、Ir、Pt等。双栅电极材料增加了CMOS器件阈值电压控制的灵活性，但却增加了工艺复杂性。两种不同的栅电极材料必须分别对NMOSFET和PMOSFET进行两次金属的淀积和刻蚀。（2）栅电极材料的稳定性自对准CMOS工艺中，栅形成以后还有源、漏杂质激活等热过程，因此所选择的栅电极材料必须具有很好的化学稳定性和热稳定性，不发生反应形成其他的中间过渡界面层。新型的栅电极材料与栅介质层之间有好的黏附性，如Au和Pt与绝大部分的介电材料之间的黏附性都不好。而另一方面，还要求新型栅电极材料与其周围材料间的应力要小。为了避免材料热稳定性等问题放弃了自对准工艺，采用替代栅结构，使栅电极在源、漏杂质激活之后形成，放宽对新型栅电极材料热稳定性等的要求，也放宽了对新型栅介质材料热稳定性的要求。（3）与CMOS工艺的兼容性双栅电极CMOS将增加工艺复杂性，还需要考虑新型栅电极材料的淀积、刻蚀等工艺的可行性及对器件性能的影响，尤其是由于采用了两种栅电极材料，则在NMOS或PMOS栅电极的刻蚀中，栅介质层会暴露在腐蚀环境中，从而影响栅介质层的特性，有待深人研究。（4）多晶Si1-xGex栅电极多晶Si1-xGex材料掺入的杂质更容易激活以及低的薄层电阻，多晶硅耗尽效应也有所改善。下图为n+多晶Si1-xGex栅电极与多晶硅栅电极的器件的C一V特性的对比。当采用多晶Si1-xGex栅电极以后，在强反型区的C-V特性基本保持平直。n+多晶Si1-xGex栅电极与多晶硅栅电极的器件的C一V特性下图为P＋多晶Si1-xGex栅电极与多晶硅栅电极器件的c一v特性及阈值特性的对比。采用多晶Si1-xGex栅电极以后，栅电极的耗尽效应有所改善。由于多晶Si1-xGex能够抑制硼的扩散，由硼扩散引起的器件阈值电压的漂移也得到了改善。P＋多晶Si1-xGex栅电极与多晶硅栅电极器件的C一V特性及阈值特性的对比采用多晶Si1-xGex栅电极，栅电极耗尽效应改善，源一漏电流增加，如下图所示。多晶Si1-xGex的带隙在硅的1.12eV和锗的0.67eV之间，随着Ge含量的增加而连续下降。Ge的含量每增加10%，多晶Si1-xGex的带隙移动40meV。改变Ge的含量，可以调节其能带隙，进行阈值电压调制，比双金属栅电极工艺简单得多。(5)新型栅电极CMOS技术的研究进展综合考虑稳定性和兼容性等多种因素后，究竟哪些材料最适合于做CMOS器件的栅电极目前尚无定论。中央禁带的栅电极材料，比较常用是W-TiN和Al-TiN复合材料。W-TiN复合结构材料体系有三个优点：第一，TiN的功函数在Si的禁带附近，作为栅电极可以得到阈值电压对称的NMOS和PMOS器件；W电阻小，可以降低栅电极的电阻。第二，W-TiN可以经受高温处理工艺，满足自对准工艺对栅电极的要求，可以实现与CMOS工艺兼容的新型栅电极结构。第三，在未来的集成电路系统中，Cu（铜）将取代Al成为新一代的互连材料，W和TiN正好是Cu互连的扩散阻挡层材料。在双栅电极的材料中，Ti、TaS