碳納米管高k材料在MOSFET中應(yīng)用

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1、碳納米管高k材料在MOSFET中應(yīng)用,目錄,一、尺寸減小帶來(lái)的挑戰(zhàn),二、已有的應(yīng)對(duì)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(lái)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(guò)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

2、,,工藝,,單金屬方法,Fig.1 Damascene gate transistor fabrication process.,,工藝,,金屬互擴(kuò)散法,,,Fig.2 Metal interdiffusion fabrication process,,,工藝,,金屬柵電特性,Fig. 2 I –V characteristics of 52 MOSFET’s with W/TiN gate and SiO gate insulator on an 8-in wafer (T = 4:8 nm).,Fig.3,C–V characteristics of damascene gate tran

3、sistor with SiO gate,insulator.,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(shì),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(shì),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(shì),3.,制備高,k,材料的

4、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(lái)的問(wèn)題,,,由緩變溝道近似：,晶體管尺寸縮小,溝道長(zhǎng)度減小,反型層電容增大,驅(qū)動(dòng)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(shí)，每減薄,1,埃，漏電流將增加,5,倍；,,對(duì)于柵厚度小于,20,埃的,SIO,2,，還存在著嚴(yán)重的針孔問(wèn)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(dòng)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(dòng)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)

5、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(chǎng)強(qiáng)度。,柵電容可以用平行板電容來(lái)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(lái)的問(wèn)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(shì),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

6、射法,分子束外延生長(zhǎng),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(shì),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,ZrO,2,，,Si,3,N,4,，,TiO,2,，,Ta,2,O,5,等,,HfO,2,二氧化鉿,(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?),。,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

7、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(jí)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?chē)木Ц窠Y(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(lèi)型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問(wèn)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱加工的技術(shù)。,Timeline

8、 of carbon nanotubes,,,Timeline of carbon nanotubes,,,碳納米管結(jié)構(gòu),碳納米管（,Carbon nanotubes, 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(wú)縫、中空納米管。,單層直徑,一般為,1,－,6,nm,；多層層數(shù),2-50,不等，,典型,直徑為,2,～,30nm,，長(zhǎng)度為長(zhǎng)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,

9、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(gè)碳原子,A,，從,O,到,A,的矢量,為式,(1),將石墨平面卷曲成一個(gè),圓柱,，,在,卷曲過(guò)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(gè)封閉的碳納米,管,。,這樣,形成的碳納米管可用,( n , m),這對(duì)整數(shù)來(lái),描寫(xiě),。,因?yàn)?這對(duì)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(duì)整數(shù)稱(chēng)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

10、=m,時(shí)，,CNT,呈現(xiàn)金屬性,當(dāng),n-m=3k,時(shí)，,CNT,為準(zhǔn)半導(dǎo)體，其,bandgap,正比于,1/d,2,，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(méi)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(zhǎng)，,是一種,準(zhǔn),1D,材料，功耗低。,,由于碳,-,碳之間的緊密的共價(jià)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,SiO,2,作為絕緣體，而

11、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(lái)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(duì),Si,器件,Scaling-down,帶來(lái)的種種問(wèn)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,FET,CNT-FET,工作原理,CNT-FET,是一個(gè)三端器件，其中,CNT,連接源漏，形成電荷通道，通道開(kāi)關(guān)由柵極控制。,當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)加在碳納米,FET,器件兩端時(shí)，一個(gè)

12、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,5.3 eV,，,大于,碳納米管的功函數(shù),4.8,eV,，這時(shí),源電極費(fèi)米能級(jí)的位置將接近碳納米管的價(jià)帶,能級(jí)。這種,能帶結(jié)構(gòu)對(duì)空穴的勢(shì)壘很,低，有利于,空穴從電極注入到碳納米管,中。,當(dāng)門(mén)電壓加負(fù)電壓,時(shí)，碳,納米管的能帶上,移，減小,了源電極與碳納米管之間勢(shì)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(chǎng)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

13、理,下圖是采用,Pt,作為源漏電極構(gòu)建的碳管場(chǎng)效應(yīng)管的電流輸出特性曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn),,,場(chǎng)效應(yīng)管在負(fù)的門(mén)電壓下開(kāi)啟,,,隨著門(mén)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4.2 eV,，,小于碳納米管的功函數(shù),，,這時(shí)源電極費(fèi)米能級(jí)的位置將接近碳納米管的導(dǎo)帶能級(jí),。,這種能帶結(jié)構(gòu)對(duì)電子的勢(shì)壘很低,，,有利于電子從電極注入到碳納米管中,。,當(dāng)門(mén)電壓加正電壓時(shí),，,碳納米管的能帶下移,，,減小了源電極與碳納米管之間勢(shì)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(chǎng)效應(yīng)管的輸運(yùn)機(jī)理是電子導(dǎo)電,，,呈現(xiàn)

14、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(chǎng)效應(yīng)管的電流輸出特性曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn),,,場(chǎng)效應(yīng)管在正的門(mén)電壓下開(kāi)啟,,,隨著門(mén)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),CNTFETs,,,,,,,CNTFETs,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(guò)熱氧化生長(zhǎng),1,層,厚,300,nm,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

15、場(chǎng)效應(yīng)晶體管,結(jié)構(gòu)。,,,,,,,,CNTFETs,典型結(jié)構(gòu),背柵結(jié)構(gòu),CNTFETs,,,,,,,,CNTFETs,,I-V,特性曲線(xiàn),,在,V,gate,=0,時(shí),, I-V,bias,特性曲線(xiàn)出現(xiàn)了一些小的非線(xiàn)性。,當(dāng),V,gate,,增加到正值時(shí),,,在,V,bias,=0,附近出現(xiàn)明顯的間隙狀態(tài)非線(xiàn)性。,當(dāng),V,gate,,為負(fù)值時(shí),, I-V,bias,特性曲線(xiàn)變?yōu)榫€(xiàn)性,,,電阻飽和于,1 k?,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(shì)壘,背柵結(jié)構(gòu)使得器件在低電壓下開(kāi)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

16、熱,生長(zhǎng),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-FET,,2003,年,IBM,公司提出。,整個(gè)頂,柵被光刻分割為,4,段,,,段間隙為,20~25,nm,。,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)

17、層,薄，低柵壓產(chǎn)生大電場(chǎng)。,開(kāi)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),CNTFETs,,2008,年提出新型圍柵結(jié)構(gòu)。,CNT,完全被柵介質(zhì)層,(Gate All-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,100 nm,,利用原子層沉積,ALP,法制備,10 nm,的,Al,2,O,3,,,柵極以外的氮化,(WN),和,Al,2,O,3,,利用濕法腐蝕去除。,C-V,特性與測(cè)量頻率有關(guān),,,且在退火溫度高于,500℃,時(shí),,,氧化層的質(zhì)量得到明顯改善。,基于碳納米管的解決方案,—,碳納

18、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(wèn)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(shí)間才能完成，大大降低了生產(chǎn)效率。,器件個(gè)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。,Summary,在器件尺寸日益縮小的今天，傳統(tǒng)的,Si,半導(dǎo)體,MOS,器件已經(jīng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)了高,K,柵介質(zhì),/,金屬柵結(jié)構(gòu)解決小尺寸器件中漏電流增大等問(wèn)題,。,,由于碳納米管具有一些獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，利用碳納米管制成的,MOSFET,器件（,CNT-FET,）在小尺寸下相對(duì)于傳統(tǒng),Si-MOSFET,器件有著優(yōu)越的性能,。,,高,K,介質(zhì),/,金屬柵是,CNT-FET,器件實(shí)現(xiàn)高性能，低功率以及各種應(yīng)用的關(guān)鍵因素,。,,雖然,納米線(xiàn)和納米管電路的發(fā)展還面臨著許多的,困難，但隨著,納米線(xiàn)和納米管制備、,定位等,問(wèn)題的,解決，電子學(xué)將真正實(shí)現(xiàn)微電子時(shí)代到納電子時(shí)代的變革。,,,,