碳納米管高k材料在MOSFET中應(yīng)用

碳納米管高k材料在MOSFET中應(yīng)用目錄一、尺寸減小帶來的挑戰(zhàn)二、已有的應(yīng)對挑戰(zhàn)的解決方案 —高k材料

—金屬柵三、基于碳納米管的解決方案 —碳納米管的性質(zhì) —CNTFETs的結(jié)構(gòu)及特性 —高K和金屬柵CNTFETs中的應(yīng)用四、總結(jié)摩爾定律帶來的挑戰(zhàn)？解決方案—金屬柵背景電性能工藝金屬柵極低柵極薄層電阻與高K兼容根本上消除柵耗盡和B穿透效應(yīng)柵功函數(shù)易調(diào)節(jié)適應(yīng)CNTMOSFET要求多晶硅柵柵耗盡效應(yīng)過高的柵電壓B穿透效應(yīng)與高K介質(zhì)不兼容背景單金屬方法雙金屬方法金屬互聯(lián)法其他方法工藝單金屬方法Fig.1Damascenegatetransistorfabricationprocess.工藝金屬互擴(kuò)散法Fig.2Metalinterdiffusionfabricationprocess工藝金屬柵電特性Fig.2I–Vcharacteristicsof52MOSFET’swithW/TiNgateandSiOgateinsulatoronan8-inwafer(T=4:8nm).Fig.3C–VcharacteristicsofdamascenegatetransistorwithSiOgateinsulator.解決方案——高K材料介質(zhì)1.什么是高k材料2.高k材料的優(yōu)勢3.制備高k材料的方法4.高K材料的介紹解決方案——高K材料介質(zhì)1.什么是高k材料2.高k材料的優(yōu)勢3.制備高k材料的方法4.幾種高K材料的介紹高K材料的基本介紹什么是高K材料？k描述一種材料保有電荷的能力。高k材料是一種可取代二氧化硅作為柵介質(zhì)的材料。解決方案——高K材料介質(zhì)1.什么是高k材料2.高k材料的優(yōu)勢3.制備高k材料的方法4.幾種高K材料的介紹為什么要使用高K材料？SiO2柵介質(zhì)減薄帶來的問題

由緩變溝道近似：晶體管尺寸縮小溝道長度減小反型層電容增大驅(qū)動電流增大然而SiO2柵厚度的減薄是有物理極限的

當(dāng)繼續(xù)減薄時，每減薄1埃，漏電流將增加5倍；

對于柵厚度小于20埃的SIO2，還存在著嚴(yán)重的針孔問題和從多晶硅SIO2到溝道的硼擴(kuò)散，影響了MOS器件的性能，從而阻礙了器件的進(jìn)一步微型化。為什么要使用高K材料？根據(jù)驅(qū)動電流和柵氧化物厚度的關(guān)系：為了增大器件的飽和驅(qū)動電流,在保持其他參數(shù)不變的情況下,需要采用具有較高介電常數(shù)的物理厚度較厚的柵介質(zhì)薄膜材料,這樣才可以大大降低直接隧穿效應(yīng)和柵介質(zhì)層承受的電場強(qiáng)度。柵電容可以用平行板電容來表達(dá):等效SiO2厚度概念,即:從該表達(dá)式可看出,使用較厚的K值大于3.9的高介電材料可以起到較薄SiO2柵同等的作用,由于物理厚度大而消除了由隧穿引起的較大漏電流。高K材料能有效解決SiO2柵介質(zhì)減薄帶來的問題!!解決方案——高K材料介質(zhì)1.什么是高k材料2.高k材料的優(yōu)勢3.制備高k材料的方法4.幾種高K材料的介紹高K材料的制備方法制備方法PVD真空蒸發(fā)法濺射法分子束外延生長離子束沉積CVD高溫/低溫CVD低壓CVD等離子增強(qiáng)CVD激光輔助CVD金屬有機(jī)化合物CVD解決方案——高K材料介質(zhì)1.什么是高k材料2.高k材料的優(yōu)勢3.制備高k材料的方法4.幾種高K材料的介紹小飛守角制作主要的高k材料其他如ZrO2，Si3N4，TiO2，Ta2O5等

HfO2二氧化鉿(HfO?)是一種具有寬帶隙和高介電常數(shù)的陶瓷材料，替代柵極絕緣層二氧化硅(SiO?)?；谔技{米管的解決方案 —碳納米管的性質(zhì) —CNT-FET的結(jié)構(gòu)及特性 —高K和金屬柵CNT-FET中的應(yīng)用解決方案——碳納米管FET基于碳納米管的解決方案

—碳納米管的性質(zhì) —CNT-FET的結(jié)構(gòu)及特性 —高K和金屬柵CNT-FET中的應(yīng)用解決方案——碳納米管FET納米材料科學(xué)技術(shù)納米材料：指晶粒尺寸為納米級的超細(xì)材料。其中界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。納米科學(xué)技術(shù)：研究在10^-8到10^-9，原子、分子和其他類型物質(zhì)的運(yùn)動和變化的學(xué)問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進(jìn)行操縱加工的技術(shù)。TimelineofcarbonnanotubesTimelineofcarbonnanotubes碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管（Carbonnanotubes,CNTs），碳的同素異形體。由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫、中空納米管。單層直徑一般為1－6nm；多層層數(shù)2-50不等，典型直徑為2～30nm，長度為長度0.1～50μm。單壁碳納米管多壁碳納米管直徑1-6nm直徑nm—>um碳納米管結(jié)構(gòu)和為石墨平面的單胞基矢。選石墨平面中任一碳原子O做原點(diǎn)，再選另一個碳原子A，從O到A的矢量為式(1)將石墨平面卷曲成一個圓柱，在卷曲過程中使矢量末端的碳原子A與原點(diǎn)上的碳原子O重合，然后在石墨圓柱的兩端罩上碳原子半球面,這樣就形成了一個封閉的碳納米管。這樣形成的碳納米管可用(n,m)這對整數(shù)來描寫。因?yàn)檫@對整數(shù)一經(jīng)確定,，碳納米管的結(jié)構(gòu)就完全確定。所以，把這對整數(shù)稱為碳納米管的指數(shù)。CNT電學(xué)特性CNT電學(xué)特性由手性矢量和管直徑?jīng)Q定當(dāng)n=m時，CNT呈現(xiàn)金屬性當(dāng)n-m=3k時，CNT為準(zhǔn)半導(dǎo)體，其bandgap正比于1/d2，值較小。其他情況下呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，其bandgap正比于1/d。CNT電學(xué)特性碳納米管的圓柱形結(jié)構(gòu)沒有所謂的邊界，所以它能夠很好的克服邊界散射。只有前向和逆向散射，彈性散射意味著在碳納米管中的自由通道是非常長，是一種準(zhǔn)1D材料，功耗低。由于碳-碳之間的緊密的共價鍵，碳納米管呈化學(xué)惰性，能夠傳輸大量的電流。C原子的所有化學(xué)鍵完整不需要像Si表面由于存在懸掛鍵而需化學(xué)鈍化，這意味著CNT器件不必一定使用SiO2作為絕緣體，而是可以使用其他高介質(zhì)常數(shù)和晶體的絕緣體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的制作。有源器件晶體管和互連可以分別采用半導(dǎo)體性和金屬性碳納米管來制作。正是由于碳納米管優(yōu)良的電特性，使得碳納米管FET器件成為了應(yīng)對Si器件Scaling-down帶來的種種問題的有力解決方案基于碳納米管的解決方案 —碳納米管的性質(zhì)

—CNT-FET的結(jié)構(gòu)及特性 —高K和金屬柵CNT-FET中的應(yīng)用解決方案——碳納米管FETCNT-FET工作原理CNT-FET是一個三端器件，其中CNT連接源漏，形成電荷通道，通道開關(guān)由柵極控制。當(dāng)一個電場加在碳納米FET器件兩端時，一個自由電荷就從碳納米管的源端到漏端產(chǎn)生。金屬的功函數(shù)小于碳納米管的功函數(shù)，則載流子為電子。反之，載流子為空穴。P型CNTFET工作原理Pt的功函數(shù)是5.3eV，大于碳納米管的功函數(shù)4.8eV，這時源電極費(fèi)米能級的位置將接近碳納米管的價帶能級。這種能帶結(jié)構(gòu)對空穴的勢壘很低，有利于空穴從電極注入到碳納米管中。當(dāng)門電壓加負(fù)電壓時，碳納米管的能帶上移，減小了源電極與碳納米管之間勢壘的厚度，增大了空穴從電極到碳納米管的隧穿概率。因此這樣結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管的輸運(yùn)機(jī)理是空穴導(dǎo)電，呈現(xiàn)出典型的p型輸運(yùn)特性。P型CNTFET工作原理下圖是采用Pt作為源漏電極構(gòu)建的碳管場效應(yīng)管的電流輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線,場效應(yīng)管在負(fù)的門電壓下開啟,隨著門電壓的減小,源漏電流相應(yīng)的增大,呈現(xiàn)出典型的p型輸運(yùn)特性。N型CNTFET工作原理Al的功函數(shù)是4.2eV，小于碳納米管的功函數(shù)，這時源電極費(fèi)米能級的位置將接近碳納米管的導(dǎo)帶能級。這種能帶結(jié)構(gòu)對電子的勢壘很低，有利于電子從電極注入到碳納米管中。當(dāng)門電壓加正電壓時，碳納米管的能帶下移，減小了源電極與碳納米管之間勢壘的厚度，增大了電子從電極到碳納米管的隧穿概率。因此這樣結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管的輸運(yùn)機(jī)理是電子導(dǎo)電，呈現(xiàn)出典型的n型輸運(yùn)特性。N型CNTFET工作原理上圖是采用Al作為源漏電極構(gòu)建的碳管場效應(yīng)管的電流輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線,場效應(yīng)管在正的門電壓下開啟,隨著門電壓的增大,源漏電流相應(yīng)的增大,呈現(xiàn)出典型的n型輸運(yùn)特性。CNT-FET

I-V特性

背柵結(jié)構(gòu)CNTFETsCNTFETs典型結(jié)構(gòu)1998年提出的最早的碳納米管結(jié)構(gòu)。硅襯底做背柵(襯底上通過熱氧化生長1層厚300nm的SiO2層)。Pt作電極。利用自組裝技術(shù)將半導(dǎo)體型的單根單壁碳納米管搭接Pt電極上,從而構(gòu)建單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。CNTFETs典型結(jié)構(gòu)背柵結(jié)構(gòu)CNTFETsCNTFETs

I-V特性曲線在Vgate=0時,I-Vbias特性曲線出現(xiàn)了一些小的非線性。當(dāng)Vgate

增加到正值時,在Vbias=0附近出現(xiàn)明顯的間隙狀態(tài)非線性。當(dāng)Vgate

為負(fù)值時,I-Vbias特性曲線變?yōu)榫€性,電阻飽和于1k?附近。背柵結(jié)構(gòu)CNTFETs缺點(diǎn)：金屬接觸面積小接觸面存在肖特基勢壘背柵結(jié)構(gòu)使得器件在低電壓下開通困難制備工藝使柵介質(zhì)與CNT接觸差改進(jìn)：在硅襯底上熱生長1層厚氧化層(SiO2)用做柵介質(zhì)層，然后光刻制備Au作為電極，將分散于有機(jī)溶劑的碳納米管撒落在襯底上，用硅作為背柵。頂柵結(jié)構(gòu)CNT-FET2003年IBM公司提出。整個頂柵被光刻分割為4段,段間隙為20~25nm。碳納米管和襯底、頂柵之間都有1層氧化層。源、漏是Ti電極,源、漏間距為1μm。每段頂柵獨(dú)立的施加不同偏壓,使得晶體管表現(xiàn)出更多的特性。分段頂柵結(jié)構(gòu)CNT-FET示意圖頂柵結(jié)構(gòu)CNT-FET工藝頂柵結(jié)構(gòu)CNT-FET特點(diǎn)：柵極接觸獨(dú)立。柵介質(zhì)層薄，低柵壓產(chǎn)生大電場。開關(guān)速度高。集成度高。分段頂柵結(jié)構(gòu)I-V特性圍柵結(jié)構(gòu)CNTFETs2008年提出新型圍柵結(jié)構(gòu)。CNT完全被柵介質(zhì)層(GateAll-Around-GAA)和柵極Ti/Au包裹。提高了器件電特性，降低了漏電流。圍柵結(jié)構(gòu)CNTFETs源漏間距為100nm,利用原子層沉積ALP法制備10nm的Al2O3,柵極以外的氮化(WN)和Al2O3

利用濕法腐蝕去除。C-V特性與測量頻率有關(guān),且在退火溫度高于500℃時,氧化層的質(zhì)量得到明顯改善?；谔技{米管的解決方案 —碳納米管的性質(zhì) —CNT-FET的結(jié)構(gòu)及特性

—高K和金屬柵CNT-FET中的應(yīng)用解決方案——碳納米管FET高K和金屬柵CNT-FET中的應(yīng)用金屬柵高k材料需要解決的問題制作工藝難度大單根納米管制備的器件往往需要人工組裝，可能要用幾天的時間才能完成，大大降低了生產(chǎn)效率。器件個體差異大各納米管的形狀和構(gòu)型總是略有差別，因此不同器件的性能通常也不一致