關(guān)于MOS器件的發(fā)展與挑戰(zhàn)分析介紹

隨著集成電路工藝制程技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高集成電路的集成度，同時(shí)提升器件的工作速度和降低它的功耗，MOS器件的特征尺寸不斷縮小，MOS器件面臨一系列的挑戰(zhàn)。例如短溝道效應(yīng)（Short Channel Effect - SCE），熱載流子注入效應(yīng)（Hot Carrier Inject - HCI）和柵氧化層漏電等問(wèn)題。為了克服這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體業(yè)界不斷開(kāi)發(fā)出一系列的先進(jìn)工藝技術(shù)，例如多晶硅柵、源漏離子注入自對(duì)準(zhǔn)、LDD離子注入、polycide、Salicide、SRD、應(yīng)變硅和HKMG技術(shù)。另外，晶體管也從MOSFET演變?yōu)镕D-SOI、Bulk FinFET和SOI FinFET。

1.1鋁柵MOS管

MOS誕生之初，柵極材料采用金屬導(dǎo)體材料鋁，因?yàn)殇X具有非常低的電阻，它不會(huì)與氧化物發(fā)生反應(yīng)，并且它的穩(wěn)定性非常好。柵介質(zhì)材料采用SiO2，因?yàn)镾iO2可以與硅襯底形成非常理想的Si-SiO2界面。如圖1.13（a）所示，是最初鋁柵的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

圖1.13鋁柵和多晶硅柵的MOS管結(jié)構(gòu)圖

1.2多晶硅柵MOS管

隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小，鋁柵與源漏擴(kuò)散區(qū)的套刻不準(zhǔn)問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，源漏與柵重疊設(shè)計(jì)導(dǎo)致，源漏與柵之間的寄生電容越來(lái)越嚴(yán)重，半導(dǎo)體業(yè)界利用多晶硅柵代替鋁柵。多晶硅柵具有三方面的優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不但多晶硅與硅工藝兼容，而且多晶硅可以耐高溫退火，高溫退火是離子注入的要求；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是多晶硅柵是在源漏離子注入之前形成的，源漏離子注入時(shí)，多晶硅柵可以作為遮蔽層，所以離子只會(huì)注入多晶硅柵兩側(cè)，所以源漏擴(kuò)散區(qū)與多晶硅柵是自對(duì)準(zhǔn)的；第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)摻雜N型和P型雜質(zhì)來(lái)改變其功函數(shù)，從而調(diào)節(jié)器件的閾值電壓。因?yàn)镸OS器件的閾值電壓由襯底材料和柵材料功函數(shù)的差異決定的，多晶硅很好地解決了CMOS技術(shù)中的NMOS和PMOS閾值電壓的調(diào)節(jié)問(wèn)題。如圖1.13（b）所示，是多晶硅柵的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

1.3Polycide技術(shù)

多晶硅柵的缺點(diǎn)是電阻率高，雖然可以通過(guò)重?fù)诫s來(lái)降低它的電阻率，但是它的電阻率依然很高，厚度3K?的多晶硅的方塊電阻高達(dá)36ohm/sq。雖然高電阻率的多晶硅柵對(duì)MOS器件的直流特性是沒(méi)有影響的，但是它嚴(yán)重影響了MOS器件的高頻特性，特別是隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小到亞微米（1um≥L≥0.35um），多晶硅柵電阻率高的問(wèn)題變得越發(fā)嚴(yán)重。為了降低多晶硅柵的電阻，半導(dǎo)體業(yè)界利用多晶硅和金屬硅化物（polycide）的雙層材料代替多晶硅柵，從而降低多晶硅柵的電阻，Polycide的方塊電阻只有3ohm/sq。半導(dǎo)體業(yè)界通用的金屬硅化物材料是WSi2。如圖1.14（a）所示，是多晶硅和金屬硅化物柵的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

1.4LDD 離子注入技術(shù)

20世紀(jì)60年代，第一代MOS器件的工作電壓是5V，柵極長(zhǎng)度是25um，隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小到亞微米，MOS器件的工作電壓并沒(méi)有減小，它的工作電壓依然是5V，直到MOS器件柵極長(zhǎng)度縮小到0.35um時(shí)，MOS器件的工作電壓才從5V降低到3.3V。2008年，MOS器件的柵極長(zhǎng)度縮小到45nm，MOS器件的工作電壓縮小到1V。柵極長(zhǎng)度從25um縮小到45nm，縮小的倍率是555倍，而MOS器件的工作電壓只從5V縮小到1V，縮小的倍率是5倍，可見(jiàn)MOS器件的工作電壓并不是按比例縮小的。隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小到亞微米級(jí)，MOS器件的溝道橫向電場(chǎng)強(qiáng)度是不斷增強(qiáng)的，載流子會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行加速，當(dāng)載流子的能量足夠大時(shí)形成熱載流子，并在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象，碰撞電離會(huì)形成新的熱電子和熱空穴，熱載流子會(huì)越過(guò)Si/SiO2界面的勢(shì)壘形成柵電流，熱空穴會(huì)流向襯底形成襯底電流，由熱載流子形成的現(xiàn)象稱(chēng)為熱載流子注入效應(yīng)。隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小到亞微米，熱載流子注入效應(yīng)變得越來(lái)越嚴(yán)重，為了改善熱載流子注入效應(yīng)，半導(dǎo)體業(yè)界通過(guò)利用LDD （Lightly Doped Drain - LDD）結(jié)構(gòu)改善漏端耗盡區(qū)的峰值電場(chǎng)來(lái)改善熱載流子注入效應(yīng)。如圖1.14（b）所示，是利用LDD結(jié)構(gòu)的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

圖1.14金屬硅化物和LDD結(jié)構(gòu)的MOS管結(jié)構(gòu)圖

1.5Salicide技術(shù)

隨著MOS器件的特征尺寸縮小到深亞微米（0.25um≥L），限制MOS器件縮小的主要效應(yīng)是短溝道效應(yīng)。為了改善短溝道效應(yīng)，MOS器件的擴(kuò)散區(qū)結(jié)深也不斷縮小，結(jié)深不斷縮小導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)的電阻不斷變大，因?yàn)閿U(kuò)散區(qū)的縱向橫截面積變小，另外金屬互連的接觸孔的尺寸也減小到0.32um以下，接觸孔變小導(dǎo)致接觸孔與擴(kuò)散區(qū)的接觸電阻升高了，單個(gè)接觸孔的接觸電阻升高到200ohm以上。為了降低擴(kuò)散區(qū)的電阻和接觸孔的接觸電阻，半導(dǎo)體業(yè)界利用硅和金屬發(fā)生反應(yīng)形成金屬硅化物（silicide）降低擴(kuò)散區(qū)的電阻和接觸孔的接觸電阻?？衫玫慕饘俨牧嫌?a target="_blank">Ti、Co和Ni等，金屬材料只會(huì)與硅和多晶硅發(fā)生反應(yīng)形成金屬硅化物，而不會(huì)與氧化物發(fā)生反應(yīng)，所以Silicide也稱(chēng)為自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物Salicide（Self Aligned Silicide）。另外擴(kuò)散區(qū)和多晶硅柵是同時(shí)形成Silicide，所以不需要再考慮進(jìn)行多晶硅柵的polycide。如圖1.15（a）所示，是Salicide的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

1.6溝道離子注入和暈環(huán)離子注入技術(shù)

MOS器件的特征尺寸縮小到深亞微米導(dǎo)致的另外一個(gè)問(wèn)題是短溝道效應(yīng)引起的亞閾值漏電流。隨著MOS器件的柵極長(zhǎng)度縮小到0.25um，源漏之間的耗盡區(qū)會(huì)相互靠近，導(dǎo)致它們之間的勢(shì)壘高度降低，形成亞閾值漏電流。雖然MOS器件的柵極長(zhǎng)度從0.33um縮小到0.25um時(shí)，器件的工作電壓也從3.3V降低到2.5V，但是MOS器件的亞閾值區(qū)的漏電流依然很大。為了降低MOS器件的亞閾值區(qū)的漏電流，需要增加一道溝道離子注入和暈環(huán)（Halo）離子注入增加溝道區(qū)域的離子濃度，從而減小源漏與襯底之間的耗盡區(qū)寬度，改善亞閾值區(qū)的漏電流。如圖1.15（a）所示，進(jìn)行溝道離子注入的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

圖1.15 Salicide和應(yīng)變硅的MOS管結(jié)構(gòu)圖

1.7RSD和應(yīng)變硅技術(shù)

隨著MOS器件的特征尺寸不斷縮小到90nm及以下時(shí)，短溝道效應(yīng)中的器件亞閾值電流成為妨礙工藝進(jìn)一步發(fā)展的主要因素，盡管提高溝道摻雜濃度可以在一定程度上抑制短溝道效應(yīng)，然而高摻雜的溝道會(huì)增大庫(kù)倫散射，使載流子遷移率下降，導(dǎo)致器件的速度降低，所以?xún)H僅依靠縮小MOS器件的幾何尺寸已經(jīng)不能滿(mǎn)足器件性能的提高，需要一些額外的工藝技術(shù)來(lái)提高器件的電學(xué)性能，例如應(yīng)變硅技術(shù)。應(yīng)變硅技術(shù)是通過(guò)外延生長(zhǎng)在源漏區(qū)嵌入應(yīng)變材料使溝道發(fā)生應(yīng)變，從而提高載流子遷移率，最終提高器件的速度。例如NMOS的應(yīng)變材料是SiC，PMOS的應(yīng)變材料是SiGe。另外，隨著源漏的結(jié)深的短減小，源漏擴(kuò)散區(qū)的厚度已經(jīng)不能滿(mǎn)足形成Salicide的最小厚度要求，必須利用新技術(shù)RSD（Raise Source and Drain）技術(shù)來(lái)增加源漏擴(kuò)散區(qū)的厚度。RSD技術(shù)是通過(guò)外延技術(shù)生長(zhǎng)在源漏區(qū)嵌入應(yīng)變材料的同時(shí)提高源漏擴(kuò)散區(qū)的厚度。如圖1.15（b）所示，是采用應(yīng)變硅和RSD技術(shù)的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

1.8HKMG技術(shù)

當(dāng)MOS器件的特征尺寸不斷縮小45nm及以下時(shí)，為了改善短溝道效應(yīng)，溝道的摻雜濃度不斷提高，為了調(diào)節(jié)閾值電壓Vt，柵氧化層的厚度也不斷減小到1nm。1nm厚度的SiON柵介質(zhì)層已不再是理想的絕緣體，柵極與襯底之間將會(huì)出現(xiàn)明顯的量子隧穿效應(yīng)，襯底的電子以量子的形式穿過(guò)柵介質(zhì)層進(jìn)入柵，形成柵極漏電流Ig。為了改善柵極漏電的問(wèn)題，半導(dǎo)體業(yè)界利用新型高K介電常數(shù)（High-k - HK）介質(zhì)材料HfO2來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)SiON來(lái)改善柵極漏電流問(wèn)題。SiON的介電常數(shù)是3.9，而HfO2的介電常數(shù)是25，在相同的EOT條件下，HfO2的物理厚度是SiON的6倍多，這將顯著減小柵介質(zhì)層的量子隧穿的效應(yīng)，從而降低柵極漏電流及其引起的功耗。但是利用HK介質(zhì)材料代替SiON也會(huì)引起很多問(wèn)題，例如導(dǎo)致多晶硅柵耗盡效應(yīng)形成高阻柵，HK介質(zhì)材料與多晶硅的界面會(huì)形成界面失配現(xiàn)象降低載流子遷移率，HK介質(zhì)材料還會(huì)造成費(fèi)米能級(jí)的釘扎現(xiàn)象。目前半導(dǎo)體業(yè)界利用金屬柵（Metal Gate - MG）取代多晶硅柵電極可以解決Vt漂移、多晶硅柵耗盡效應(yīng)、過(guò)高的柵電阻和費(fèi)米能級(jí)的釘扎等現(xiàn)象。利用HK介質(zhì)材料代替SiON和利用金屬柵取代多晶硅柵的技術(shù)稱(chēng)為HKMG工藝技術(shù)。如圖1.16（a）所示，是采用HKMG技術(shù)的MOS管結(jié)構(gòu)圖。

圖1.16采用HKMG技術(shù)的MOS管結(jié)構(gòu)圖和FD-SOI

1.9FD-SOI晶體管

當(dāng)MOS器件的特征尺寸不斷縮小22nm及以下時(shí)，僅僅提高溝道的摻雜濃度和降低源漏結(jié)深已不能很好的改善短溝道效應(yīng)。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的胡正明教授基于SOI的超薄絕緣層上的平面硅技術(shù)提出UTB-SOI（Ultra Thin Body - UTB），也就是FD-SOI晶體管。研究發(fā)現(xiàn)要使FD-SOI有效抑制短溝道效應(yīng)，并能正常工作，絕緣層上硅膜的厚度應(yīng)限制在柵長(zhǎng)的四分之一左右。對(duì)于25nm柵長(zhǎng)的晶體管，F(xiàn)D-SOI的硅膜厚度應(yīng)被控制在5nm左右。FD-SOI晶體管的溝道厚度很小，柵的垂直電場(chǎng)可以有效的控制器件的溝道，從而降低了器件關(guān)閉時(shí)的漏電流，抑制短溝道效應(yīng)。如圖1.16（b）所示，是FD-SOI晶體管的剖面圖。

1.10Bulk FinFET和SOI FinFET晶體管

另外，1989年，Hitachi公司的工程師Hisamoto對(duì)傳統(tǒng)的平面型晶體管的結(jié)構(gòu)作出改變提出的基于體硅襯底，采用局部氧化絕緣隔離襯底技術(shù)制造出全耗盡的側(cè)向溝道三維晶體管，稱(chēng)為DELTA（Depleted Lean－Channel Transistor）。胡正明教授依據(jù)Hisamoto的三維晶體管提出采用三維立體型結(jié)構(gòu)的體FinFET和SOI FinFET代替平面結(jié)構(gòu)的MOSFET作為集成電路的晶體管，由于三維立體晶體管結(jié)構(gòu)很像魚(yú)的鰭，所以稱(chēng)為鰭型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如圖1.17所示，是Bulk FinFET和SOI FinFET晶體管的剖面圖。

FinFET晶體管凸起的溝道區(qū)域是一個(gè)被三面柵極包裹的鰭狀半導(dǎo)體，沿源-漏方向的鰭與柵重合的區(qū)域的長(zhǎng)度為溝道長(zhǎng)度。柵極三面包裹溝道的結(jié)構(gòu)增大了柵與溝道的面積，增強(qiáng)了柵對(duì)溝道的控制能力，從而降低了漏電流，抑制短溝道效應(yīng)，同時(shí)也有效的增加了器件溝道的有效寬度，并且增加了器件的跨導(dǎo)。另外為了改善柵極漏電流，F(xiàn)inFET晶體管的柵介質(zhì)也采用HK材料，柵極也采用金屬柵。

圖1.17 Bulk FinFET和SOI FinFET