[发明专利]使用CMOS兼容反铁电高K材料的复杂电路组件及电容器

说明书

技术领域

本发明通常涉及集成电路，尤其涉及依据应用反铁电高k材料的先进CMOS技术设计的电路组件及电容器。

背景技术

在当前的电子设备中，集成电路(IC)在不断扩大的应用范围中具有广阔的适用性。尤其，在高性能及低能耗方面增加电子装置的灵活性的需求推动开发愈加紧凑的装置，其特征尺寸甚至达到深亚微米级(deep sub-micron regime)，从而使当前的半导体技术易于生产尺寸在10纳米级的结构。由于集成电路表示在通常为硅的半导体材料上集成的一组电子电路组件，因此与由独立电路组件组成的分立电路相比，可将集成电路制作得较小。当今集成电路的大多数通过在给定表面面积的半导体衬底上集成多个电路组件以及被动组件实现，电路组件例如场效应晶体管(field effect transistor；FET)，也称作金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor；MOSFET或简称为MOS晶体管)，被动组件例如电阻器及电容器。通常，当今集成电路包括在半导体衬底上形成的数以百万计的单个电路组件。

MOSFET的基本功能是电子开关组件的功能，其中，流过MOSFET的源漏区之间的沟道的电流由施加相对于源漏区的电压的栅极控制。尤其，在施加电压超过特征电压电平时，通过使栅极施加的电压超过特定的电压值来改变MOSFET的电导率状态。该特征电压电平，通常被称作阈值电压(Vt)，特征化MOSFET的开关行为。一般来说，Vt主要取决于晶体管的属性，例如材料等。

众所周知，传统的MOSFET要求在300K，至少60mV的沟道电位的变化以引起电流变化10倍(也称作亚阈值摆幅)。该最小亚阈值摆幅对操作电压设置了基本的下限，且因而对标准MOSFET基开关的功耗设置了基本的下限。在Salahuddin等人的Nanolett.8,405(2008)中，建议使用厚度小于临界厚度的铁电绝缘材料替代场效应晶体管的栅极氧化物，以实现升压变压器来放大栅极电压。该建议基于理论观察到，厚度小于临界厚度的铁电绝缘材料提供因内部正反馈而产生有效负电容的电容器，从而提供进一步降低亚阈值摆幅的可能。在Khan等人发表的“Ferroelectric Negative Capacitance MOSFET:Capacitance Tuning&Antiferroelectric Operation”，IEDM(2011)中，提出铁电负电容场效应晶体管(negative capacitance FET；NCFET)的设计方法，其中，MOSFET装置的高k栅极氧化物与其上形成的铁电介电层结合。该铁电材料的厚度经选择以使负电容的大小大致补偿该MOSFET装置的电容，稳定该负电容MOSFET(NCFET)以及有效增加最终的栅极电容以支持亚60mV/dec操作。在该铁电介电层与该高k栅极氧化物之间设置金属层，以均衡因该铁电介电材料中畴(domain)的形成而引起的电荷不均匀。Khan等人建议设计在VDD窗口内具有反铁电特性的NCFET的电滞回线(hysteresis loop)。

除MOSFET外，典型的集成电路还可具有电容器及电阻器，它们被实施为所谓的集成被动装置(integrated passive device；IPD)或集成被动组件(integrated passive component；IPC)，以形成功能方块，例如阻抗匹配电路、谐波滤波器、耦合器等。通常，IPD或IPC可通过使用MOSFET制造中已知的标准半导体制造技术制造。电容器可通过金属绝缘体半导体结构(MIS结构)或金属绝缘体金属结构(MIM结构)实施，该结构具有形成于绝缘材料上的金属层，该绝缘材料相应设于MIS结构的半导体材料上或MIM结构的金属层上。MIS/MIM电容器的典型应用涉及电源缓冲、RF解耦或升压转换器。