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《集成电路制造工艺与工程应用》第三讲.pptxVIP

《集成电路制造工艺与工程应用》第三讲.pptx

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第三讲:MOS器件的发展和面临的挑战;内容;铝栅和多晶硅栅(Polysilicon)

短沟道效应(ShortChannelEffects-SCE)

漏极轻掺杂(LightlyDopedDrain-LDD)结构

漏致势垒降低效应(DrainInducedBarrierLowering-DIBL)

浅源漏结深

栅极金属硅化物(Polycide)

自对准金属硅化物(Salicide)

沟道离子注入和口袋离子注入

应变硅和提高源漏(RaiseSourceandDrain-RSD)

高K介质-金属栅(HKMG)

全耗尽–FD-SOI(FullyDepletionFD-SOI)

鳍型场效应晶体管-FinFET;MOS诞生之初,栅极材料采用金属导体材料铝,栅介质材料采用SiO2,SiO2可以与硅衬底形成非常理想的Si/SiO2界面

铝栅的问题:

电阻率低;

不能耐高温;

存在套刻不齐问题,影响集成度;

源漏与栅重叠设计,导致源漏与栅之间的寄生电容越来越严重。

1968年,出现多晶硅栅技术,半导体业界利用多晶硅栅代替铝栅。

多晶硅栅具有三方面的优点:

与硅工艺兼容,耐高温退火;

可以实现源漏自对准;

可以通过掺杂来改变多晶硅栅功函数,从而能很好地解决了CMOS技术中的NMOS和PMOS阈值电压的调节问题。MOS器件的阈值电压是由衬底材料和栅极材料功函数的差异决定的。;SCE效应物理解释:MOS沟道长度减小到一定程度后出现一系列二级物理效应,如阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低(DIBL)、源漏穿通、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应等,统称为短沟道效应。

;随着MOS器件的特征尺寸缩小到亚微米:

MOS器件的工作电压并不是按等比例缩小,沟道的电场强度不断加强:第一代MOS器件的工作电压是5V,沟道长度(栅极长度)是25um,特征尺寸不断缩小到亚微米,沟道长度为0.5um时,器件的工作电压依然是5V,直到沟道长度缩小到0.35um时,MOS器件的工作电压才从5V降低到3.3V。沟道长度从25um缩小到0.5um,缩小了50倍,而源漏之间的压差不变。

HCI和LDD结构:随着MOS器件的特征尺寸不断缩小==》沟道横向电场强度不断增强==》载流子发生碰撞电离现象==》形成热载流子注入效应==》热载流子影响器件可靠性和在衬底形成压降==》漏致势垒降低==》利用LDD结构改善漏端耗尽区的峰值电场==》改善热载流子注入效应。;MOS器件??特征尺寸缩小到深亚微米:

漏致势垒降低效应DIBL:

源漏之间的耗尽区相互靠近==》导致势垒高度降低效应==》形成漏电流。;浅源漏结深;随着MOS器件的特征尺寸缩小到亚微米:

多晶硅栅电阻率高,虽对MOS器件的直流特性没影响,但它严重影响MOS器件的高频特性。(厚度3K?的多晶硅的方块电阻高达36ohm/sq)

在亚微米阶段,为了降低多晶硅栅的电阻(Rs)和接触孔电阻(Rc),利用多晶硅和金属硅化物的双层材料代替多晶硅栅。

金属硅化物(Polycide)特点:

栅极是多晶硅和金属硅化物的双层材料,它的电阻率很低。(Polycide的方块电阻只有3ohm/sq)

常用的栅极金属硅化物材料是WSi2。;MOS器件的特征尺寸缩小到深亚微米:

MOS器件的特征尺寸缩小到深亚微米以下==》引起严重的短沟道效应==》源漏结深不断缩小和接触孔尺寸不断缩小==》接触电阻升了(单个接触孔电阻200ohm以上)==》利用金属硅化物(Silicide)降低有源区和多晶硅栅的电阻和接触电阻。

自对准金属硅化物Salicide(SelfAlignedSilicide):金属材料(Ti、Co和Ni等)只与硅和多晶硅发生反应形成金属硅化物,而不会与氧化物介质层发生反应。;MOS器件的特征尺寸缩小到深亚微米:

MOS器件的特征尺寸缩小到深亚微米以下==》引起严重的短沟道效应==》利用沟道离子注入和晕环(Halo)/口袋(Pocket)离子注入==》增加沟道区域和衬底的离子浓度==》减小源漏与衬底之间的耗尽区宽度==》改善漏致势垒降低效应==》改善漏电流。;MOS器件的特征尺寸不断缩小到90nm及以下:

MOS器件的特征尺寸缩小到90nm及以下==》引起严重的短沟道效应==》提高沟道掺杂浓度抑制短沟道效应==》高掺杂的沟道会增大库伦散射==》载流子迁移率下降==》器件的速度降低==》应变硅技术改善载流子迁移率==》提高器件的速度。

应变硅技术:通过外延生长在源漏区嵌入应变材料使沟道发生应变,降低电导有效质量,提高载流子迁移

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