一文看懂MOS器件的发展与面临的挑战

随着集成电路工艺制程技术的不断发展，为了提高集成电路的集成度，同时提升器件的工作速度和降低它的功耗，MOS器件的特征尺寸不断缩小，MOS器件面临一系列的挑战。例如短沟道效应（Short Channel Effect - SCE），热载流子注入效应（Hot Carrier Inject - HCI）和栅氧化层漏电等问题。为了克服这些挑战，半导体业界不断开发出一系列的先进工艺技术，例如多晶硅栅、源漏离子注入自对准、LDD离子注入、polycide、Salicide、SRD、应变硅和HKMG技术。另外，晶体管也从MOSFET演变为FD-SOI、Bulk FinFET和SOI FinFET。

1.1铝栅MOS管
MOS诞生之初，栅极材料采用金属导体材料铝，因为铝具有非常低的电阻，它不会与氧化物发生反应，并且它的稳定性非常好。栅介质材料采用SiO2，因为SiO2可以与硅衬底形成非常理想的Si-SiO2界面。如图1.13（a）所示，是最初铝栅的MOS管结构图。

图1.13铝栅和多晶硅栅的MOS管结构图

1.2多晶硅栅MOS管
随着MOS器件的特征尺寸不断缩小，铝栅与源漏扩散区的套刻不准问题变得越来越严重，源漏与栅重叠设计导致，源漏与栅之间的寄生电容越来越严重，半导体业界利用多晶硅栅代替铝栅。多晶硅栅具有三方面的优点：第一个优点是不但多晶硅与硅工艺兼容，而且多晶硅可以耐高温退火，高温退火是离子注入的要求；第二个优点是多晶硅栅是在源漏离子注入之前形成的，源漏离子注入时，多晶硅栅可以作为遮蔽层，所以离子只会注入多晶硅栅两侧，所以源漏扩散区与多晶硅栅是自对准的；第三个优点是可以通过掺杂N型和P型杂质来改变其功函数，从而调节器件的阈值电压。因为MOS器件的阈值电压由衬底材料和栅材料功函数的差异决定的，多晶硅很好地解决了CMOS技术中的NMOS和PMOS阈值电压的调节问题。如图1.13（b）所示，是多晶硅栅的MOS管结构图。

1.3Polycide技术
多晶硅栅的缺点是电阻率高，虽然可以通过重掺杂来降低它的电阻率，但是它的电阻率依然很高，厚度3KÅ的多晶硅的方块电阻高达36ohm/sq。虽然高电阻率的多晶硅栅对MOS器件的直流特性是没有影响的，但是它严重影响了MOS器件的高频特性，特别是随着MOS器件的特征尺寸不断缩小到亚微米（1um≥L≥0.35um），多晶硅栅电阻率高的问题变得越发严重。为了降低多晶硅栅的电阻，半导体业界利用多晶硅和金属硅化物（polycide）的双层材料代替多晶硅栅，从而降低多晶硅栅的电阻，Polycide的方块电阻只有3ohm/sq。半导体业界通用的金属硅化物材料是WSi2。如图1.14（a）所示，是多晶硅和金属硅化物栅的MOS管结构图。

1.4LDD 离子注入技术
20世纪60年代，第一代MOS器件的工作电压是5V，栅极长度是25um，随着MOS器件的特征尺寸不断缩小到亚微米，MOS器件的工作电压并没有减小，它的工作电压依然是5V，直到MOS器件栅极长度缩小到0.35um时，MOS器件的工作电压才从5V降低到3.3V。2008年，MOS器件的栅极长度缩小到45nm，MOS器件的工作电压缩小到1V。栅极长度从25um缩小到45nm，缩小的倍率是555倍，而MOS器件的工作电压只从5V缩小到1V，缩小的倍率是5倍，可见MOS器件的工作电压并不是按比例缩小的。随着MOS器件的特征尺寸不断缩小到亚微米级，MOS器件的沟道横向电场强度是不断增强的，载流子会在强电场中进行加速，当载流子的能量足够大时形成热载流子，并在强场区发生碰撞电离现象，碰撞电离会形成新的热电子和热空穴，热载流子会越过Si/SiO2界面的势垒形成栅电流，热空穴会流向衬底形成衬底电流，由热载流子形成的现象称为热载流子注入效应。随着MOS器件的特征尺寸不断缩小到亚微米，热载流子注入效应变得越来越严重，为了改善热载流子注入效应，半导体业界通过利用LDD （Lightly Doped Drain - LDD）结构改善漏端耗尽区的峰值电场来改善热载流子注入效应。如图1.14（b）所示，是利用LDD结构的MOS管结构图。

图1.14金属硅化物和LDD结构的MOS管结构图

1.5Salicide技术
随着MOS器件的特征尺寸缩小到深亚微米（0.25um≥L），限制MOS器件缩小的主要效应是短沟道效应。为了改善短沟道效应，MOS器件的扩散区结深也不断缩小，结深不断缩小导致扩散区的电阻不断变大，因为扩散区的纵向横截面积变小，另外金属互连的接触孔的尺寸也减小到0.32um以下，接触孔变小导致接触孔与扩散区的接触电阻升高了，单个接触孔的接触电阻升高到200ohm以上。为了降低扩散区的电阻和接触孔的接触电阻，半导体业界利用硅和金属发生反应形成金属硅化物（silicide）降低扩散区的电阻和接触孔的接触电阻。可利用的金属材料有Ti、Co和Ni等，金属材料只会与硅和多晶硅发生反应形成金属硅化物，而不会与氧化物发生反应，所以Silicide也称为自对准金属硅化物Salicide（Self Aligned Silicide）。另外扩散区和多晶硅栅是同时形成Silicide，所以不需要再考虑进行多晶硅栅的polycide。如图1.15（a）所示，是Salicide的MOS管结构图。