栅极材料的革命、可控硅、finFETVIP免费

可控硅(SCR:SiliconControiledRectifier)是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。折叠单向可控硅单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件，与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制;与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。折叠双向可控硅双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。由于主电极的构造是对称的(都从N层引出)，所以它的电极不像单向可控硅那样分别叫阳极和阴极,而是把与控制极相近的叫做第一电极A1,另一个叫做第二电极A2。双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时，硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置，必须采取相应的保护措施。双向可控硅元件主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。如图2所示的SCR结构图，可以看到，传统的SCR结构就是在N-well/P-well的二极管结构中加入N+和P+的注入区形成的。传统SCR的特性曲线如图4所示，可以发现，引入的N+和P+注入区形成了SCR的负阻特性。由此，传统SCR结构具备了小的导通电阻和很好的电流泄放能力，使其非常适合用于ESD保护领域。然而，由于其严重的负阻特性带来的非常严重的闩锁效应，限制了其应用的范围。现代集成电路达到纳米尺度，得益于半导体工艺制程的进步，传统平面MOS器件的技术极限开始显现：当器件栅长Lg小于50nm时，短沟道效应(SCEs)不可忽略。为抑制短沟道效应，文献［1-3］给出以下应对措施：通过调整器件沟道掺杂浓度或采用不同金属制成栅极等措施以有效改变阈值电压；采用高介电常数(高k)材料(如HfO2,ZrO2等)替代传统栅氧化层介质材料国2,L倍揽SCR皓构国2传卿Sl'k■的訶面围h<-:?rrts-BdxtionoftheconventionalSCRlayout(SiO2)以获得在同等有效氧化层厚度(EOT)下更小的栅极漏电流。虽然以上措施能在一定程度上减缓短沟道效应，但随着器件尺寸直逼量子级别，上述方法不能有效提升栅控能力。此后，美国加州大学Berkeley分校胡振明教授及其团队率先提出的鳍式场效应管(FinFET)将原本仅通过单个栅极控制的平面结构改为多个栅极控制的三维立体结构，增大栅极控制面积，提升栅极控制力，从而进一步抑制小尺寸器件中的短沟道效应。基于此思想，DighHisamoto等人［4］提出自对准双栅UTBMOSFET(超薄体场效应管)结构，该结构以Si0.4Ge0.6作为栅极材料适用于20nm节点以下；BinYu等人［5］给出一种适用于栅极长度及鱼鳍宽度分别缩减至10nm及12nm时的双栅FinFET制程；Ji-WoonYang等人［6］提出轻掺杂三栅FinFET拥有较强的短沟道抑制能力且几乎无须考虑拐角效应；AngadaB.Sachid等人［7］提出用高介电常数材料HfO2(high-K)替代低介电常数材料SiO2(low-K)作为栅极与源漏端阻挡层(spacer)可明显优化P型FinFET性能参数。MOSFET的栅极材料理论上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：1.MOSFET的临界电压(thresholdvoltage)主要由栅极与通道材料的功函数(workfunction)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...