下一代新型半导体器件及工艺基础探究.docVIP

下一代新型半导体器件及工艺基础研究 微电子技术无论是从其发展速度和对人类社会生产、生活的影响，都可以说是科学技术史上空前的，微电子技术已经成为整个信息产业的基础和核心。自1958年集成电路发明以来，为了提高电子集成系统的性能，降低成本，集成电路的特征尺寸不断缩小，制作工艺的加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小√2倍。集成电路芯片的特征尺寸已经从1978年的10／xm发展到现在的0．13-0．10txm；硅片的直径也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸发展到12英寸。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但微电子产业发展的事实证实了Moore的预言，而且根据预测，微电子技术的这种发展趋势至少在今后10多年内还将继续下去，这是其它任何产业都无法与之比拟的。现在，0．13lam的CMOS工艺技术已进人大生产，0．04微米乃至0．01微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1lam技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0-1．0nm。预计到2014年，特征尺寸为0．035lam的电路将投入批量生产。2000年以来，虽然世界微电子产业进入低谷，即使如此，但从微电子技术发展方面来讲，微电子却进入了一个快速发展的阶段。自1999年以来，原来集成电路工艺每3年提升一代的规律在进入21世纪后变为两年提升一代，这说明全球的微电子产业正在借这一轮微电子产业不景气的空隙做技术上的储备，为迎接新一轮微电子产业的快速发展作着积极的准备。近年来，虽然国际微电子产业处于低谷，但中国的微电子产业却一枝独秀，仍然保持着每年30％以上的递增速度。特别是随着中芯国际、华虹NEC、天津Motorola等一批大规模、高水平集成电路制造企业的建成，国际上先进的半导体工艺正被迅速地直接引入到我国，制造工艺技术达到了0．25、0．18甚至0．13lam工艺水平，因此可以说我国微电子产业已经进入了一个跳跃式发展阶段。为了加强我国微电子产业的竞争力，北京大学、中国科学院微电子中心、清华大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等单位共同提出了973项目系统芯片(SystemOn a Chip)中新器件新工艺基础研究，致力研究下一代SOC发展过程中遇到的半导体新器件新工艺领域的基础科学问题。本文介绍的主要内容就是我们在该973项目研究中取得的部分新器件、新工艺方面的研究成果。 MILC平面双栅器件双栅器件独特的优点已被公认为纳米量级器件的优选结构，平面双栅器件由于白对准双栅技术的问题一直处于探索之中，虽然已提出一些方法，如激光退火，选择外延生长，侧向外延生长等，但都非常复杂，成本也很高，而得到的器件的寄生电阻比预期高很多。在平面双栅器件工艺集成技术方面一直是一个研究热点。我们利用MILC和高温退火技术提出了一种新的简单的自对准双栅MOS晶体管制备技术，为平面双栅器件的实现提供了新的思路。 图1为我们得到的单晶自对准双栅MOS晶体管的电流电压特性曲线。为比较起见，我们在同一工艺过程中，制作了常规单栅SOl MOS晶体管。双栅器件的沟道长度、沟道宽度、栅氧化层厚度以及沟道区硅膜的厚度分别为0．36μm、0．72μm、lOnm和40nm，测量得到的有效电子迁移率、亚阈值斜率以及阈值电压分别为316cm2／V-s、69．3mV／dec和0．17V；单栅SOl MOS晶体管的有效载流迁移率和亚阈斜率分别为327cm2／V-s和68．7mV／dec。可见，新结构双栅器件的有效载流子迁移率和亚阈值区特性已经非常接近单栅SOI MOS晶体管。 难熔金属栅CMOS器件当多晶硅栅MOSFET栅长缩小到亚0．1μm和栅氧化层厚度减薄到3．0nm以下时，过高的栅电阻、日益严重的硼穿透现象和多晶硅栅耗尽效应成为进一步提高CMOS器件性能的瓶颈，而难熔金属栅则会成为目前可以想象的最有希望的替代技术，用金属作栅电极，可以从根本上消除B穿透现象和栅耗尽效应，同时获得非常低的栅电极薄层电阻。我们采用W／TiN复合金属栅新结构成功地研制出性能优良的难熔金属栅CMOS器件，为今后开发金属栅MOS器件奠定了基础。图2给出了我们研制的栅长为90nm的W／TiN复合金属栅CMOS器件的ID-V，亚阈值特性曲线。 改进型垂直沟道双栅器件双栅器件由于增加了一个栅的控制能力，可以改善器件特征尺寸缩小后带来的很多问题，双栅器件可以获得高电流驱动能力，短沟效应可以控制得很好，器件关态电流较小，亚阈值斜率陡直，因此双栅器件被认为是下几个技术代采用的器件结构。 我们在大量研究各种双栅器件的基础上，提出了改进型垂直沟道双栅器件结构，并提出了新的工艺集成