鐵電場效應電晶體

鐵電場效應電晶體也就是鐵電介質柵極場效應電晶體(MFSFET,Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET):這是在MOSFET的基礎上,把柵極SiO2絕緣材料更換為高介電常數的鐵電材料即得。

簡介

因為MOSFET的飽和電流與柵極絕緣體材料的介電常數eox有正比例關係:Id sat = (1/2) (W/L)(εeox / dox ) (VGS-VT) 2。因此,增大柵極絕緣體材料的介電常數,即可增強電晶體的驅動能力,提高開關速度,並且還可以帶來工藝上的其它好處。

在MOSFET中常用的柵極絕緣材料的介電常數值為:SiO2 (3.8),Si3N4 (6.4),Al2O3 (>7.5)。柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件,稱為 MNOFET;柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件,稱為 MAOFET

性能

提高柵絕緣層的介電常數,可以增大器件的電流,增強器件的驅動能力,使工作速度提高,得以實現超高速積體電路。同時,若採用高介電常數的柵絕緣膜,則也可以適當增加絕緣膜的厚度,以利於改善柵介質薄膜的均勻性。因此,採用高K材料來製作柵絕緣層,可以大大提高絕緣柵場效

應電晶體(MISFET)的性能。

用高K材料作為柵絕緣層的場效應電晶體即稱為 MFSFET。至於對高介電常數柵極絕緣材料的要求,主要是:介電常數高,並與Si和SiO2的黏附

性能好。能夠很好滿足這些要求的高介電常數材料(也稱為 高k材料),現在仍在探討之中。一般,比較受到關注的高k材料,主要是10 < K < 100(如Ta2O5, TiO2, HfO2等)的和K > 100(如PbZr1-xTixO3 [PZT], (Ba, Sr)TiO3 [BST]等)的兩類介質材料。其中ZrO2、HfO2、ZrSiO4、HfSiO4等與矽之間有較好的兼容性和熱穩定性 (特別是矽酸化合物, HfO2在摻入Al後[成為了HfAlO]可防止400C下結晶), 但它們與Si接觸的界面態密度較大

(需要增加過渡層), 而且需要採用金屬柵電極 (因這些高K材料易與多晶矽反應生成SiO2膜),從效果來看仍然不如SiO2,因此仍未實用化。目前作為暫時套用的較高介電常數的材料是SiOxNy和Si3N4, 這些材料也可用作為高K材料與Si、或高K材料與柵電極之間的中間過渡層材料。最近有工作指出,LAO (鋁酸鑭) 和LAON (鑭鋁氧氮) 這兩種高K材料的性能比較優越 (熱力學穩定, 不易產生B和P雜質的擴散等問題,微細加工容易),可以用來製作特徵尺寸<65nm的大規模積體電路。MFSFET的柵極結構,基本上是MFS(金屬——高K材料——半導體)型式,但性能不夠穩定;MFIS型式

比較好,其中的薄I層(SiO2等絕緣膜)能防止原子的擴散;MFMIS型式似乎更好,其中在I層與高K材料之間又增加了一層金屬膜。現在MFSFET研製中需要解決的主要問題是減小柵極絕緣膜漏電,以延長信號的保存時間。

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