碳纳米管高k材料在MOSFET中应用

碳纳米管高k材料在MOSFET中应用目录一、尺寸减小带来的挑战二、已有的应对挑战的解决方案 —高k材料

—金属栅三、基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNTFETs的结构及特性 —高K和金属栅CNTFETs中的应用四、总结摩尔定律带来的挑战？解决方案—金属栅背景电性能工艺金属栅极低栅极薄层电阻与高K兼容根本上消除栅耗尽和B穿透效应栅功函数易调节适应CNTMOSFET要求多晶硅栅栅耗尽效应过高的栅电压B穿透效应与高K介质不兼容背景单金属方法双金属方法金属互联法其他方法工艺单金属方法Fig.1Damascenegatetransistorfabricationprocess.工艺金属互扩散法Fig.2Metalinterdiffusionfabricationprocess工艺金属栅电特性Fig.2I–Vcharacteristicsof52MOSFET’swithW/TiNgateandSiOgateinsulatoronan8-inwafer(T=4:8nm).Fig.3C–VcharacteristicsofdamascenegatetransistorwithSiOgateinsulator.解决方案——高K材料介质1.什么是高k材料2.高k材料的优势3.制备高k材料的方法4.高K材料的介绍解决方案——高K材料介质1.什么是高k材料2.高k材料的优势3.制备高k材料的方法4.几种高K材料的介绍高K材料的基本介绍什么是高K材料？k描述一种材料保有电荷的能力。高k材料是一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。解决方案——高K材料介质1.什么是高k材料2.高k材料的优势3.制备高k材料的方法4.几种高K材料的介绍为什么要使用高K材料？SiO2栅介质减薄带来的问题

由缓变沟道近似：晶体管尺寸缩小沟道长度减小反型层电容增大驱动电流增大然而SiO2栅厚度的减薄是有物理极限的

当继续减薄时，每减薄1埃，漏电流将增加5倍；

对于栅厚度小于20埃的SIO2，还存在着严重的针孔问题和从多晶硅SIO2到沟道的硼扩散，影响了MOS器件的性能，从而阻碍了器件的进一步微型化。为什么要使用高K材料？根据驱动电流和栅氧化物厚度的关系：为了增大器件的饱和驱动电流,在保持其他参数不变的情况下,需要采用具有较高介电常数的物理厚度较厚的栅介质薄膜材料,这样才可以大大降低直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。栅电容可以用平行板电容来表达:等效SiO2厚度概念,即:从该表达式可看出,使用较厚的K值大于3.9的高介电材料可以起到较薄SiO2栅同等的作用,由于物理厚度大而消除了由隧穿引起的较大漏电流。高K材料能有效解决SiO2栅介质减薄带来的问题!!解决方案——高K材料介质1.什么是高k材料2.高k材料的优势3.制备高k材料的方法4.几种高K材料的介绍高K材料的制备方法制备方法PVD真空蒸发法溅射法分子束外延生长离子束沉积CVD高温/低温CVD低压CVD等离子增强CVD激光辅助CVD金属有机化合物CVD解决方案——高K材料介质1.什么是高k材料2.高k材料的优势3.制备高k材料的方法4.几种高K材料的介绍小飞守角制作主要的高k材料其他如ZrO2，Si3N4，TiO2，Ta2O5等

HfO2二氧化铪(HfO₂)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，替代栅极绝缘层二氧化硅(SiO₂)。基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用解决方案——碳纳米管FET基于碳纳米管的解决方案

—碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用解决方案——碳纳米管FET纳米材料科学技术纳米材料：指晶粒尺寸为纳米级的超细材料。其中界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米科学技术：研究在10^-8到10^-9，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵加工的技术。TimelineofcarbonnanotubesTimelineofcarbonnanotubes碳纳米管结构碳纳米管（Carbonnanotubes,CNTs），碳的同素异形体。由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。单层直径一般为1－6nm；多层层数2-50不等，典型直径为2～30nm，长度为长度0.1～50μm。单壁碳纳米管多壁碳纳米管直径1-6nm直径nm—>um碳纳米管结构和为石墨平面的单胞基矢。选石墨平面中任一碳原子O做原点，再选另一个碳原子A，从O到A的矢量为式(1)将石墨平面卷曲成一个圆柱，在卷曲过程中使矢量末端的碳原子A与原点上的碳原子O重合，然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子半球面,这样就形成了一个封闭的碳纳米管。这样形成的碳纳米管可用(n,m)这对整数来描写。因为这对整数一经确定,，碳纳米管的结构就完全确定。所以，把这对整数称为碳纳米管的指数。CNT电学特性CNT电学特性由手性矢量和管直径决定当n=m时，CNT呈现金属性当n-m=3k时，CNT为准半导体，其bandgap正比于1/d2，值较小。其他情况下呈现半导体性，其bandgap正比于1/d。CNT电学特性碳纳米管的圆柱形结构没有所谓的边界，所以它能够很好的克服边界散射。只有前向和逆向散射，弹性散射意味着在碳纳米管中的自由通道是非常长，是一种准1D材料，功耗低。由于碳-碳之间的紧密的共价键，碳纳米管呈化学惰性，能够传输大量的电流。C原子的所有化学键完整不需要像Si表面由于存在悬挂键而需化学钝化，这意味着CNT器件不必一定使用SiO2作为绝缘体，而是可以使用其他高介质常数和晶体的绝缘体进行三维结构的制作。有源器件晶体管和互连可以分别采用半导体性和金属性碳纳米管来制作。正是由于碳纳米管优良的电特性，使得碳纳米管FET器件成为了应对Si器件Scaling-down带来的种种问题的有力解决方案基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质

—CNT-FET的结构及特性 —高K和金属栅CNT-FET中的应用解决方案——碳纳米管FETCNT-FET工作原理CNT-FET是一个三端器件，其中CNT连接源漏，形成电荷通道，通道开关由栅极控制。当一个电场加在碳纳米FET器件两端时，一个自由电荷就从碳纳米管的源端到漏端产生。金属的功函数小于碳纳米管的功函数，则载流子为电子。反之，载流子为空穴。P型CNTFET工作原理Pt的功函数是5.3eV，大于碳纳米管的功函数4.8eV，这时源电极费米能级的位置将接近碳纳米管的价带能级。这种能带结构对空穴的势垒很低，有利于空穴从电极注入到碳纳米管中。当门电压加负电压时，碳纳米管的能带上移，减小了源电极与碳纳米管之间势垒的厚度，增大了空穴从电极到碳纳米管的隧穿概率。因此这样结构的场效应管的输运机理是空穴导电，呈现出典型的p型输运特性。P型CNTFET工作原理下图是采用Pt作为源漏电极构建的碳管场效应管的电流输出特性曲线和转移特性曲线,场效应管在负的门电压下开启,随着门电压的减小,源漏电流相应的增大,呈现出典型的p型输运特性。N型CNTFET工作原理Al的功函数是4.2eV，小于碳纳米管的功函数，这时源电极费米能级的位置将接近碳纳米管的导带能级。这种能带结构对电子的势垒很低，有利于电子从电极注入到碳纳米管中。当门电压加正电压时，碳纳米管的能带下移，减小了源电极与碳纳米管之间势垒的厚度，增大了电子从电极到碳纳米管的隧穿概率。因此这样结构的场效应管的输运机理是电子导电，呈现出典型的n型输运特性。N型CNTFET工作原理上图是采用Al作为源漏电极构建的碳管场效应管的电流输出特性曲线和转移特性曲线,场效应管在正的门电压下开启,随着门电压的增大,源漏电流相应的增大,呈现出典型的n型输运特性。CNT-FET

I-V特性

背栅结构CNTFETsCNTFETs典型结构1998年提出的最早的碳纳米管结构。硅衬底做背栅(衬底上通过热氧化生长1层厚300nm的SiO2层)。Pt作电极。利用自组装技术将半导体型的单根单壁碳纳米管搭接Pt电极上,从而构建单壁碳纳米管场效应晶体管结构。CNTFETs典型结构背栅结构CNTFETsCNTFETs

I-V特性曲线在Vgate=0时,I-Vbias特性曲线出现了一些小的非线性。当Vgate

增加到正值时,在Vbias=0附近出现明显的间隙状态非线性。当Vgate

为负值时,I-Vbias特性曲线变为线性,电阻饱和于1kΩ附近。背栅结构CNTFETs缺点：金属接触面积小接触面存在肖特基势垒背栅结构使得器件在低电压下开通困难制备工艺使栅介质与CNT接触差改进：在硅衬底上热生长1层厚氧化层(SiO2)用做栅介质层，然后光刻制备Au作为电极，将分散于有机溶剂的碳纳米管撒落在衬底上，用硅作为背栅。顶栅结构CNT-FET2003年IBM公司提出。整个顶栅被光刻分割为4段,段间隙为20~25nm。碳纳米管和衬底、顶栅之间都有1层氧化层。源、漏是Ti电极,源、漏间距为1μm。每段顶栅独立的施加不同偏压,使得晶体管表现出更多的特性。分段顶栅结构CNT-FET示意图顶栅结构CNT-FET工艺顶栅结构CNT-FET特点：栅极接触独立。栅介质层薄，低栅压产生大电场。开关速度高。集成度高。分段顶栅结构I-V特性围栅结构CNTFETs2008年提出新型围栅结构。CNT完全被栅介质层(GateAll-Around-GAA)和栅极Ti/Au包裹。提高了器件电特性，降低了漏电流。围栅结构CNTFETs源漏间距为100nm,利用原子层沉积ALP法制备10nm的Al2O3,栅极以外的氮化(WN)和Al2O3

利用湿法腐蚀去除。C-V特性与测量频率有关,且在退火温度高于500℃时,氧化层的质量得到明显改善。基于碳纳米管的解决方案 —碳纳米管的性质 —CNT-FET的结构及特性

—高K和金属栅CNT-FET中的应用解决方案——碳纳米管FET高K和金属栅CNT-FET中的应用金属栅高k材料需要解决的问题制作工艺难度大单根纳米管制备的器件往往需要人工组装，可能要用几天的时间才能完成，大大降低了生产效率。器件个体差异大各纳米管的形状和构型总是略有差别，因此不同器件的性能通常也不一致