瑞薩科技開發(fā)用于45納米節(jié)點及以上工藝芯片晶體管技術

瑞薩科技開發(fā)用于45納米節(jié)點及以上工藝芯片的高性能、低成本晶體管技術
--可以經濟地生產帶有采用金屬（P型）和多晶硅（N型）柵極混合結構的CMIS晶體管
而不必對現有的制造工藝進行重要改變—

瑞薩科技公司（Renesas Technology Corp.）今天宣布，開發(fā)出一種可用于45nm（納米）節(jié)點及以上工藝微處理器和SoC（系統(tǒng)級芯片）產品的高性能和低成本晶體管技術。新開發(fā)的技術包括采用P型晶體管金屬柵極，以及N型晶體管傳統(tǒng)多晶硅柵極的混合結構的高性能CMIS*1晶體管。它可以在不必改變當前制造工藝的條件下實現，進而降低生產成本。采用新技術制造的帶有40nm長度柵極的原型晶體管展現了出眾的性能。其620μA/μmN型晶體管的驅動能力，以及360μA/μm的P型晶體管驅動能力都達到了全球最高水平。此外，已確認在可靠性方面例如柵極絕緣體強度沒有任何問題，即使是采用新開發(fā)的生產工藝流程。

瑞薩科技將在于12月11日在美國舊金山舉行的2006年IEEE的國際電子器件會議上展示這一成果。預期這種創(chuàng)新的晶體管制造方法優(yōu)和技術將有助于制造高速、低功耗的先進SoC產品并可降低成本。

<背景>
最近幾年，隨著普遍存在的網絡時代的來臨，對具有更高水平功能和性能的多種類型設備，以及能夠延長電池壽命的移動設備的需求十分迫切。先進半導體器件對使結合高性能和低功耗的產品成為現實至關重要。超精細半導體制造工藝將為實現增強功能和降低功耗提供一種高度集成的方法。然而，隨著超精細半導體制造工藝的進展，用于晶體管的柵極絕緣體將變得更加纖巧。這將導致一個嚴峻的問題，例如由于隧道現象*2引起的柵極漏電流的增加。一種有效的解決方案是在氧化硅薄膜的頂層使用一種高介電系數絕緣體，即所謂高k材料。然而，使用高k材料會導致一種稱為“費米能級釘扎效應（Fermi level pinning）”的現象，它將使晶體管的門限電壓處于高位*3。金屬柵極的推出是一種抑制這種現象的有效方法，它被認為將在45nm節(jié)點及以上工藝中發(fā)揮十分重要的作用。

由于這個原因，業(yè)界正在積極努力開發(fā)雙金屬柵極晶體管技術，它結合了高k材料和金屬柵極，并適用于N型和P型晶體管。不過，這些努力還要解決以下問題：

（1）    有兩類晶體管：1.N型晶體管（它利用帶有負電荷的電子運行）和2.P型晶體管（它利用帶有正電荷的空穴運行）。這意味著金屬柵極必須由兩種不同材料組成，一種適用于N型晶體管，而另一種適用于P型晶體管。
（2）    如果使用兩種材料，一種用于N型晶體管，另一種用于P型晶體管，材料的可使用性是不同的，每種材料都需要獨立的設備。這將增加制造工藝的復雜性和步驟，從而導致較高的生產成本。
（3）    還有一些必須解決的物理問題。例如，N型金屬柵極的特性會隨制造工藝期間熱處理（大約為1,000℃）而變化。

<技術細節(jié)>
面對這個背景，瑞薩科技一直在進行45nm節(jié)點及以上工藝晶體管的研發(fā)工作。其成果之一是新開發(fā)的混合CMIS晶體管技術。高k材料由氮氧化鉿硅（HfSiON）制造，它能夠簡單地利用氖離子植入形成，并利用較早的制造工藝對鈦氮化物層進行最小限度的處理。此外，晶體管性能夠滿足或超過傳統(tǒng)雙金屬柵極晶體管。其驅動能力已獲得了全球最高的水平的認可。
新開發(fā)技術的細節(jié)如下。

（1）帶有金屬P型柵極和多晶硅N型柵極的混合結構
柵極材料采用了一種混合結構，P型晶體管為多晶硅和金屬鈦氮化物，而N型晶體管為傳統(tǒng)的多晶硅。由于費米能級釘扎效應增加的影響，P型晶體管采用的傳統(tǒng)的多晶硅和HfSiON的柵極結構將會導致柵極損耗增加，需要較厚的絕緣層和高門限電壓（導通電壓）。選擇鈦氮化物（TiN）作為高介電系數薄膜頂層的柵極材料可以解決這個問題。這可以防止門限電壓變得太高。相比之下，N型晶體管很少受到釘扎效應的影響。因此，采用較早的工藝，高濃度磷的多晶硅柵極可用于抑制柵極損耗。實現混合結構P型晶體管采用了以下技術。

1.    氮環(huán)境退火*4以抑制擴散進鈦氮化物電極的鉿
結合HfSiON薄膜和鈦氮化物電極制造工藝，采用正常的1,000℃以上的溫度進行熱處理。這時來自HfSiON薄膜的鉿能夠擴散到鈦氮化物中，從而導致鉿污染鈦氮化物電極。這將產生具有與絕緣層具有相同特性的層，并導致柵極損耗。新技術在形成HfSiON薄膜后增加了一個氮環(huán)境退火步驟。這將加強與鉿的粘合，并抑制其擴散到鈦氮化物中。

2.    用來控制門限電壓和改進空穴遷移率的氖離子植入
以前有報告稱，通過在通道中進行氖離子植入可以控制P型晶體管的門限電壓，而且植入氖可以改善空穴遷移率。氖離子植入技術和金屬柵極技術可以比沒有采用該技術生產的晶體管提高驅動能力大約70%。

（2）低損壞蝕刻技術可以在N型晶體管制造中使用鈦氮化物
N型晶體管不需要使用鈦氮化物電極。不過，消除N型晶體管區(qū)域的金屬柵極可能破壞底層的HfSiON薄膜。新技術采用了低損壞蝕刻的方法來解決這個問題。對采用這種蝕刻的方法形成的柵極絕緣層的評估表明，柵極氧化物的可靠性相當于沒有受蝕刻影響的絕緣層。