一文看懂MOS器件的發展與面臨的挑戰-半導體行業觀察

最新 07-11

隨著集成電路工藝製程技術的不斷發展，為了提高集成電路的集成度，同時提升器件的工作速度和降低它的功耗，MOS器件的特徵尺寸不斷縮小，MOS器件面臨一系列的挑戰。例如短溝道效應（Short Channel Effect - SCE），熱載流子注入效應（Hot Carrier Inject - HCI）和柵氧化層漏電等問題。為了克服這些挑戰，半導體業界不斷開發出一系列的先進工藝技術，例如多晶硅柵、源漏離子注入自對準、LDD離子注入、polycide、Salicide、SRD、應變硅和HKMG技術。另外，晶體管也從MOSFET演變為FD-SOI、Bulk FinFET和SOI FinFET。

1.1鋁柵MOS管

MOS誕生之初，柵極材料採用金屬導體材料鋁，因為鋁具有非常低的電阻，它不會與氧化物發生反應，並且它的穩定性非常好。柵介質材料採用SiO2，因為SiO2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管結構圖

圖1.13鋁柵和多晶硅柵的MOS管結構圖

1.2多晶硅柵MOS管

隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小，鋁柵與源漏擴散區的套刻不準問題變得越來越嚴重，源漏與柵重疊設計導致，源漏與柵之間的寄生電容越來越嚴重，半導體業界利用多晶硅柵代替鋁柵。多晶硅柵具有三方面的優點：第一個優點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；第二個優點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，多晶硅柵可以作為遮蔽層，所以離子只會注入多晶硅柵兩側，所以源漏擴散區與多晶硅柵是自對準的；第三個優點是可以通過摻雜N型和P型雜質來改變其功函數，從而調節器件的閾值電壓。因為MOS器件的閾值電壓由襯底材料和柵材料功函數的差異決定的，多晶硅很好地解決了CMOS技術中的NMOS和PMOS閾值電壓的調節問題。如圖1.13（b）所示，是多晶硅柵的MOS管結構圖。

1.3Polycide技術

多晶硅柵的缺點是電阻率高，雖然可以通過重摻雜來降低它的電阻率，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36ohm/sq。雖然高電阻率的多晶硅柵對MOS器件的直流特性是沒有影響的，但是它嚴重影響了MOS器件的高頻特性，特別是隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小到亞微米（1um≥L≥0.35um），多晶硅柵電阻率高的問題變得越發嚴重。為了降低多晶硅柵的電阻，半導體業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。半導體業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管結構圖。

1.4LDD 離子注入技術

20世紀60年代，第一代MOS器件的工作電壓是5V，柵極長度是25um，隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小到亞微米，MOS器件的工作電壓並沒有減小，它的工作電壓依然是5V，直到MOS器件柵極長度縮小到0.35um時，MOS器件的工作電壓才從5V降低到3.3V。2008年，MOS器件的柵極長度縮小到45nm，MOS器件的工作電壓縮小到1V。柵極長度從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MOS器件的工作電壓並不是按比例縮小的。隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小到亞微米級，MOS器件的溝道橫向電場強度是不斷增強的，載流子會在強電場中進行加速，當載流子的能量足夠大時形成熱載流子，並在強場區發生碰撞電離現象，碰撞電離會形成新的熱電子和熱空穴，熱載流子會越過Si/SiO2界面的勢壘形成柵電流，熱空穴會流向襯底形成襯底電流，由熱載流子形成的現象稱為熱載流子注入效應。隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小到亞微米，熱載流子注入效應變得越來越嚴重，為了改善熱載流子注入效應，半導體業界通過利用LDD （Lightly Doped Drain - LDD）結構改善漏端耗盡區的峰值電場來改善熱載流子注入效應。如圖1.14（b）所示，是利用LDD結構的MOS管結構圖。

圖1.14金屬硅化物和LDD結構的MOS管結構圖

1.5Salicide技術

隨著MOS器件的特徵尺寸縮小到深亞微米（0.25um≥L），限制MOS器件縮小的主要效應是短溝道效應。為了改善短溝道效應，MOS器件的擴散區結深也不斷縮小，結深不斷縮小導致擴散區的電阻不斷變大，因為擴散區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，接觸孔變小導致接觸孔與擴散區的接觸電阻升高了，單個接觸孔的接觸電阻升高到200ohm以上。為了降低擴散區的電阻和接觸孔的接觸電阻，半導體業界利用硅和金屬發生反應形成金屬硅化物（silicide）降低擴散區的電阻和接觸孔的接觸電阻。可利用的金屬材料有Ti、Co和Ni等，金屬材料只會與硅和多晶硅發生反應形成金屬硅化物，而不會與氧化物發生反應，所以Silicide也稱為自對準金屬硅化物Salicide（Self Aligned Silicide）。另外擴散區和多晶硅柵是同時形成Silicide，所以不需要再考慮進行多晶硅柵的polycide。如圖1.15（a）所示，是Salicide的MOS管結構圖。

1.6溝道離子注入和暈環離子注入技術

MOS器件的特徵尺寸縮小到深亞微米導致的另外一個問題是短溝道效應引起的亞閾值漏電流。隨著MOS器件的柵極長度縮小到0.25um，源漏之間的耗盡區會相互靠近，導致它們之間的勢壘高度降低，形成亞閾值漏電流。雖然MOS器件的柵極長度從0.33um縮小到0.25um時，器件的工作電壓也從3.3V降低到2.5V，但是MOS器件的亞閾值區的漏電流依然很大。為了降低MOS器件的亞閾值區的漏電流，需要增加一道溝道離子注入和暈環（Halo）離子注入增加溝道區域的離子濃度，從而減小源漏與襯底之間的耗盡區寬度，改善亞閾值區的漏電流。如圖1.15（a）所示，進行溝道離子注入的MOS管結構圖。

圖1.15 Salicide和應變硅的MOS管結構圖

1.7RSD和應變硅技術

隨著MOS器件的特徵尺寸不斷縮小到90nm及以下時，短溝道效應中的器件亞閾值電流成為妨礙工藝進一步發展的主要因素，儘管提高溝道摻雜濃度可以在一定程度上抑制短溝道效應，然而高摻雜的溝道會增大庫倫散射，使載流子遷移率下降，導致器件的速度降低，所以僅僅依靠縮小MOS器件的幾何尺寸已經不能滿足器件性能的提高，需要一些額外的工藝技術來提高器件的電學性能，例如應變硅技術。應變硅技術是通過外延生長在源漏區嵌入應變材料使溝道發生應變，從而提高載流子遷移率，最終提高器件的速度。例如NMOS的應變材料是SiC，PMOS的應變材料是SiGe。另外，隨著源漏的結深的短減小，源漏擴散區的厚度已經不能滿足形成Salicide的最小厚度要求，必須利用新技術RSD（Raise Source and Drain）技術來增加源漏擴散區的厚度。RSD技術是通過外延技術生長在源漏區嵌入應變材料的同時提高源漏擴散區的厚度。如圖1.15（b）所示，是採用應變硅和RSD技術的MOS管結構圖。

1.8HKMG技術

當MOS器件的特徵尺寸不斷縮小45nm及以下時，為了改善短溝道效應，溝道的摻雜濃度不斷提高，為了調節閾值電壓Vt，柵氧化層的厚度也不斷減小到1nm。1nm厚度的SiON柵介質層已不再是理想的絕緣體，柵極與襯底之間將會出現明顯的量子隧穿效應，襯底的電子以量子的形式穿過柵介質層進入柵，形成柵極漏電流Ig。為了改善柵極漏電的問題，半導體業界利用新型高K介電常數（High-k - HK）介質材料HfO2來代替傳統SiON來改善柵極漏電流問題。SiON的介電常數是3.9，而HfO2的介電常數是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層的量子隧穿的效應，從而降低柵極漏電流及其引起的功耗。但是利用HK介質材料代替SiON也會引起很多問題，例如導致多晶硅柵耗盡效應形成高阻柵，HK介質材料與多晶硅的界面會形成界面失配現象降低載流子遷移率，HK介質材料還會造成費米能級的釘扎現象。目前半導體業界利用金屬柵（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、過高的柵電阻和費米能級的釘扎等現象。利用HK介質材料代替SiON和利用金屬柵取代多晶硅柵的技術稱為HKMG工藝技術。如圖1.16（a）所示，是採用HKMG技術的MOS管結構圖。

圖1.16採用HKMG技術的MOS管結構圖和FD-SOI

1.9FD-SOI晶體管

當MOS器件的特徵尺寸不斷縮小22nm及以下時，僅僅提高溝道的摻雜濃度和降低源漏結深已不能很好的改善短溝道效應。加利福尼亞大學伯克利分校的胡正明教授基於SOI的超薄絕緣層上的平面硅技術提出UTB-SOI（Ultra Thin Body - UTB），也就是FD-SOI晶體管。研究發現要使FD-SOI有效抑制短溝道效應，並能正常工作，絕緣層上硅膜的厚度應限制在柵長的四分之一左右。對於25nm柵長的晶體管，FD-SOI的硅膜厚度應被控制在5nm左右。FD-SOI晶體管的溝道厚度很小，柵的垂直電場可以有效的控制器件的溝道，從而降低了器件關閉時的漏電流，抑制短溝道效應。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對傳統的平面型晶體管的結構作出改變提出的基於體硅襯底，採用局部氧化絕緣隔離襯底技術製造出全耗盡的側向溝道三維晶體管，稱為DELTA（Depleted Lean－Channel Transistor）。胡正明教授依據Hisamoto的三維晶體管提出採用三維立體型結構的體FinFET和SOI FinFET代替平面結構的MOSFET作為集成電路的晶體管，由於三維立體晶體管結構很像魚的鰭，所以稱為鰭型場效應晶體管。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域是一個被三面柵極包裹的鰭狀半導體，沿源-漏方向的鰭與柵重合的區域的長度為溝道長度。柵極三面包裹溝道的結構增大了柵與溝道的面積，增強了柵對溝道的控制能力，從而降低了漏電流，抑制短溝道效應，同時也有效的增加了器件溝道的有效寬度，並且增加了器件的跨導。另外為了改善柵極漏電流，FinFET晶體管的柵介質也採用HK材料，柵極也採用金屬柵。