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第四章 纳米CMOS器件中的栅工程 栅电极层、栅介质层和Si衬底构成的MIS结构称为栅结构。 其中栅电极层的功函数、栅介质层的厚度、介电常数、介质层电荷及界面缺陷态度等因素直接决定着CMOS器件的特性。 栅电极层为重掺杂的多晶硅和硅化物的复合结构，栅介质为高质量的热氧化SiO2，其氧化层电荷和界面缺陷态密度均很低。 一、CMOS器件中的MIS栅结构 MIS结构——MOSFET器件的重要组成部分。 MIS ——（Metal Insulator Semiconductor，金属-绝缘层-半导体） 栅电极通常由多晶硅 -金属硅化物的复合结 构构成。 栅介质与栅电极和Si 沟道之间的两个界面 对于器件的性质起到 着至关重要作用。 栅介质、栅电极、Si沟道之间的两个界面厚度通常在几个埃的数量级，是栅电极、栅介质和Si沟道之间材料的过渡。 当界面层的厚度与栅介质层的厚度接近时，界面层将直接影响总的栅电容的大小，从而影响着MOSFET器件的性能。这些界面层还可以加以利用以获得某些所需的作用。 栅介质层：热氧化硅（SiO2）——新型栅介质材料如氮化二氧化硅材料。 MIS结构中栅介层的厚度tox决定了单位面积栅电容，表面量子化效应和多晶硅耗尽效应（详见4.4节）等的影响，使栅电容降低 ——等效的介质层厚度增加——等效电容厚度CET 。 当采用高介电常数介质等非二氧化硅材料时，通常采用等效氧化层厚度EOT表示栅介质层厚度tox CETinv对应于MOSFET反型时的等效电容厚度，有 CETinv=EOT+tqm+tdp CETacc对应于MOSFET积累时的等效电容厚度，有 CETacc=EOT+tqm 平带电压 1、功函数—费米能级的电子逸出体外所需的能量。 2、电子亲和能—半导体中导带底的电子逸出体外所需的能量。 3、接触电势差—金属费米能级与半导体费米能级的差。 对MIS结构，其金属和半导体之间的功函数差仅由金属和半导体决定。由于通常金属和半导体的功函数不同，而在平衡系统中费米能级必须保持平直，因此必将引起能带的弯曲。 弯曲的大小由栅电极和半导体间的功函数差决定。 能带弯曲分别为： （n型半导体） （p型半导体） 是栅电极的功函数，χs是半导体材料的亲和能，Eg为半导体材料的禁带宽度。半导体衬底的费米势为 介质层和界面上的电荷均会引起半导体表面能级的弯曲。其弯曲量为 当Qo为负电荷时取+，当Qo为正电荷时取 能带弯曲可以通过施加与弯曲量相当的偏压加以补偿，通常把所需施加的偏压称为平带电压 。 平带电压定义为：为使半导体中能带保持平直而使表面势为0时所需施加在栅电极上的偏压。由栅电极和半导体间的功函数差以及等效界面电荷决定 若Qo为负电荷则平带电压将出现正向的移动，若 Qo为正电荷则平带电压将出现负向的移动。 硼扩散 硼扩散用于p+多晶硅栅以抑制短沟道效应、降低阈值电压。 通常在多晶硅中注入BF2掺杂，注入剂量很大，通过在950到1050摄氏度的温度下退火数秒。 硼原子很小，在如此高的温度下，硼在硅和二氧化硅中的扩散系数很高。于是在高温退火的过程中，硼扩散进入甚至穿透二氧化硅层。硼扩散进入氧化层后可引起平带电压的变化，从而导致MOS结构的C-V特性或MOSFET的阈值电压出现变化。硼扩散将使器件的阈值电压向正的方向增大，使器件的跨导和亚阈斜率退化。 图4.5为具有P+多晶硅栅电极的MOS电容的C一V特性曲线。 MOS电容的面积为6.25 ×10-4cm2，在n型硅上热氧化生长了24 埃的SiO2，多晶硅栅电极厚1500埃，采用硼离子注人形成P+多晶硅，随后在1000度Ar气氛退火，时间1、2、5和10秒。 随着退火时间的增加，特性曲线向正方向移动，相应地平带电压增加，表明阈值电压增加。 以I-V特性的变化作为失效器件的判据，即与退火时间最短(1秒)的器件相比、电流增加两个数量级以上的器件均视为失效。 研究表明.在SiO2中引入氮(N)\可以抑制硼的扩散。图4-6示出了利用在N2O气氛中氧化生长的SiO2作为栅介质层制成的‘MOS电容样品的C-V特性曲线。 除了栅介质层的差别外，其余的条件均与图4.5中的相同。 由图可见，随着退火时间的增加.样品间C-V特性曲线的正向移动减小，退火10秒和1秒的样品相比.平带电压的移动约为30mV。 可知在二氧化硅中引人氮以后，硼扩散带来的影响减小，硼的扩散得到抑制 。 二、氮氧硅栅介质 目前，CMOS器件中已开始使用超薄氮氧硅（SiOxNy，更准确地应称为掺