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MOSFET的栅极材料

分类:MOSFET技术百科   发布时间:2015-05-05 01:05:54   阅读:1704   信息来源:1mos
理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体,多晶硅在经过重(读作zhong)掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上,但是并非完美的选择。MOSFET使用多晶硅作为的理由如下:
⒈ MOSFET的临界电压(threshold voltage)主要由栅极与通道材料的功函数(work function)之间的差异来决定,而因为多晶硅本质上是半导体,所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是,因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙(bandgap)相同,因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说,金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变,如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压,将需要两种不同的金属分别做其栅极材料,对于制程又是一个很大的变量。
⒉ 硅—二氧化硅接面经过多年的研究,已经证实这两种材料之间的缺陷(defect)是相对而言比较少的。反之,金属—绝缘体接面的缺陷多,容易在两者之间形成很多表面能阶,大为影响元件的特性。
⒊ 多晶硅的融点比大多数的金属高,而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低,将会影响制程所能使用的温度上限。
不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准,但也有若干缺点使得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极,这些缺点如下:
⒈ 多晶硅导电性不如金属,限制了信号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性,但成效仍然有限。有些融点比较高的金属材料如:钨(Tungsten)、钛(Titanium)、钴(Cobalt)或是镍(Nickel)被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物(silicide)。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性,而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面,离通道区较远,所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大影响。
在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”(Self-Aligned Silicide),通常简称salicide制程。
⒉ 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时,例如编辑此文时最新制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度,一种过去没有发现的现象也随之产生,这种现象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反转层形成时,有多晶硅耗尽现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处,会出现一个耗尽层(depletion layer),影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题,金属栅极是最好的方案。可行的材料包括钽(Tantalum)、钨、氮化钽(Tantalum Nitride),或是氮化钛(Titalium Nitride)。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化,称为FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。
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