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在不断走向智能化、信息化的今天,芯片乃是国之重器已经被人们普遍达成共识。芯片是由多个器件组成,最基本的器件就是场效应晶体管。单个晶体管性能的好坏直接决定了整块芯片的性能,因此,只有先能制造出性能卓越单个器件,才可能会有性能一流的芯片。在金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)场效应晶体管中,阈值电压是衡量一个晶体管性能最重要的参数之一。高介电常数(高-k)金属栅极场效应晶体管中,金属栅极的有效功函数是影响器件阈值电压的主要因素,也是调节器件栅极阈值电压的主要手段。因此,对金属栅极的有效功函数的研究备受重视。基于此,本论文研究了在先进工艺制程中,高介电常数金属栅极中有效功函数的调制,具体的研究成果如下:1、本论文优化了经典的测量有效功函数的△Jv-Vg法,基于优化后的的△Jv-Vg法,分别研究了NMOS和PMOS晶体管的栅极尺寸变化对栅极有效功函数的调制作用。在用钛铝合金(TiAl)作为功函数金属层的高-k金属栅极NMOS晶体管中,当金属栅极的长度从1μm减小到30 nm时,金属栅极的有效功函数从4.00 eV增加到4.28 eV。当栅极的长度固定在30 nm时,栅极宽度从3μm减小到0.1μm,栅极有效功函数也出现略微增加,从4.20 eV增加到4.28 eV。在用氮化钛(TiN)作为功函数金属层的PMOS晶体管中,金属栅极的长度和宽度则对栅极的有效功函数影响不大。2、本论文研究了在PMOS的栅极堆叠中,栅极功函数金属TiN层的厚度变化和沉积温度对器件栅极功函数和阈值电压的影响。在不同的栅极尺寸下,TiN厚度减小10?后,金属栅极的有效功函数增加,增加量在几十毫电子伏特,且在较小尺寸下,增加量更明显,阈值电压也明显增加。随着生长TiN的温度由温度较高的Baseline℃降低到Baseline-130℃时,器件栅极中对应的栅极有效功函数从4.62 eV增加到4.82 eV。3、研究了金属互联后退火温度对MOS器件栅极功函数和阈值电压的影响。在不同栅极尺寸下的PMOS晶体管中,退火温度从Baseline℃减小为Baseline-30℃,栅极有效功函数增加几十毫电子伏特。在NMOS晶体管中,金属互联后退火温度在该变化量下,则对有效功函数影响不大。本论文的创新点在于,优化了提取有效功函数的△Jv-Vg法;第一次系统地研究了在短沟道高介电常数金属栅极场效应晶体管中,金属栅极的尺寸的变化,包括栅极的长度和宽度的变化,对金属栅极有效功函数的调制作用,提出了有效功函数的尺寸效应的概念。另外,全面地研究了栅极堆叠中,功函数金属层的厚度、沉积温度还有退火温度对栅极有效功函数的调制作用,以及这些工艺参数和栅极尺寸变化对有效功函数的耦合影响。