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      MOSFET的柵極材料

      發布時間: 2021/1/11 14:39:37 | 55 次閱讀

      理論上MOSFET的柵極應該盡可能選擇電性良好的導體,多晶硅在經過重(讀作zhong)摻雜之后的導電性可以用在MOSFET的柵極上,但是并非完美的選擇。MOSFET使用多晶硅作為的理由如下:
      1、MOSFET的臨界電壓(threshold voltage)主要由柵極與通道材料的功函數(work function)之間的差異來決定,而因為多晶硅本質上是半導體,所以可以藉由摻雜不同極性的雜質來改變其功函數。更重要的是,因為多晶硅和底下作為通道的硅之間能隙(bandgap)相同,因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以藉由直接調整多晶硅的功函數來達成需求。反過來說,金屬材料的功函數并不像半導體那么易于改變,如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓,將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料,對于制程又是一個很大的變量。
      2、硅—二氧化硅接面經過多年的研究,已經證實這兩種材料之間的缺陷(defect)是相對而言比較少的。反之,金屬—絕緣體接面的缺陷多,容易在兩者之間形成很多表面能階,大為影響元件的特性。
      3、多晶硅的融點比大多數的金屬高,而在現代的半導體制程中習慣在高溫下沉積柵極材料以增進元件效能。金屬的融點低,將會影響制程所能使用的溫度上限。
      不過多晶硅雖然在過去二十年是制造MOSFET柵極的標準,但也有若干缺點使得未來仍然有部份MOSFET可能使用金屬柵極,這些缺點如下:
      1、多晶硅導電性不如金屬,限制了信號傳遞的速度。雖然可以利用摻雜的方式改善其導電性,但成效仍然有限。有些融點比較高的金屬材料如:鎢(Tungsten)、鈦(Titanium)、鈷(Cobalt)或是鎳(Nickel)被用來和多晶硅制成合金。這類混合材料通常稱為金屬硅化物(silicide)。加上了金屬硅化物的多晶硅柵極有著比較好的導電特性,而且又能夠耐受高溫制程。此外因為金屬硅化物的位置是在柵極表面,離通道區較遠,所以也不會對MOSFET的臨界電壓造成太大影響。
      在柵極、源極與漏極都鍍上金屬硅化物的制程稱為“自我對準金屬硅化物制程”(Self-Aligned Silicide),通常簡稱salicide制程。
      2、當MOSFET的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時,例如編輯此文時zui新制程可以把氧化層縮到一納米左右的厚度,一種過去沒有發現的現象也隨之產生,這種現象稱為“多晶硅耗盡”。當MOSFET的反轉層形成時,有多晶硅耗盡現象的MOSFET柵極多晶硅靠近氧化層處,會出現一個耗盡層(depletion layer_),影響MOSFET導通的特性。要解決這種問題,金屬柵極是zui好的方案?尚械牟牧习ㄣg(Tantalum)、鎢、氮化鉭(Tantalum Nitride),或是氮化鈦(Titalium Nitride)。這些金屬柵極通常和高介電常數物質形成的氧化層一起構成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化,稱為FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。

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