[发明专利]使用Vt移位效应的可编程FET及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构和制造方法，并且更具体地涉及使用高k电介质金属栅极Vt移位效应的可编程场效应晶体管(FET)及其制造方法。

背景技术

负偏置温度不稳定性(NBTI)是在使用负栅极电压操作的p沟道MOS器件中当前关注的关键可靠性问题。这一相同机制也在积累状态中偏置时(即在向栅极施加负偏置时)影响nMOS晶体管。NBTI表现为阈值电压的增加以及漏极电流和跨导的随之减少。该下降呈现随时间的对数率依赖性。

在亚微米器件中，已经向硅栅极氧化物中并入氮以减少栅极电流密度并且防止硼渗透。然而，并入氮增强NBTI。出于这一原因，在新技术(例如32nm和更短标称沟道长度)中，使用高k金属栅极堆叠作为一种针对给定的等效氧化物厚度(EOT)提高栅极电流密度的替代方式。即使引入新材料(比如氧化铪)，NBTI仍然是关注问题。此外，基于氧化铪的金属栅极呈现Vt移位。

氧导入所致的Vt移位是在高k电介质金属栅极技术中引起Vt变化的问题。认为Vt移位归因于两个成分：稳定成分和亚稳成分。稳定成分是指去除HfO₂中的氧空缺，而亚稳是指形成HfO₂中的氧间隙。

因而在本领域中存在对克服上文描述的缺陷和限制的需要。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种控制高k电介质金属栅极结构中的Vt移位的方法包括向高k电介质金属栅极结构的栅极接触施加电流以提高形成栅极堆叠的金属的温度。提高温度超出氧在高k材料上引起的Vt移位所需要的温度。

在本发明的又一方面中，一种控制具有基于铪的电介质的TiN金属栅极结构中的Vt移位的方法包括通过经过TiN金属栅极结构的接触施加电流将TiN金属的温度提高至Vt移位阈值以上。

在本发明的又一方面中，一种结构包括金属栅极结构，金属栅极结构包括在基于铪的电介质材料上形成的基于Ti的金属和在基于Ti的金属上形成的多晶材料。基于Ti的金属呈现由于电流引起的温度增加所致的Vt移位控制效果。

在本发明的又一方面中，一种在计算机辅助设计系统中用于生成可编程效应晶体管(FET)的功能设计模型的方法。该方法包括生成金属栅极结构的功能表示，金属栅极结构包括在基于铪的电介质材料上形成的基于Ti的金属和在基于Ti的金属上形成的多晶材料。基于Ti的金属呈现由于电流引起的温度增加所致的Vt移位控制效果。

在本发明的另一方面中，提供一种在机器可读存储介质中有形地实现的用于设计、制造或者测试集成电路的设计结构。该设计结构包括本发明的结构。在更多实施例中，一种在机器可读数据存储介质上编码的硬件描述语言(HDL)设计结构包括如下元素，这些元素在计算机辅助设计系统中被处理时生成可编程FET的机器可执行表示，机器可执行表示包括本发明的结构。在更多实施例中，提供一种在计算机辅助设计系统中用于生成可编程FET的功能设计模型的方法。该方法包括生成可编程FET的结构元素的功能表示。

附图说明

通过本发明示例实施例的非限制例子参照指出的多幅附图在以下具体实施方式中描述本发明。

图1-图6示出了根据本发明一些方面的结构和相应处理步骤；

图7示出了阈值电压移位(Vt移位)比对温度的图形；

图8示出了平带电压比对退火温度；以及

图9是在半导体设计、制造和/或测试中使用的设计过程的流程图。

具体实施方式

本发明涉及半导体结构和制造方法，并且更具体地涉及具有高k电介质金属栅极Vt移位效应的可编程场效应晶体管(FET)及其制造方法。有利地，本发明提供一种使用控制效应以制作可编程逻辑FET单元的结构和制作技术。在实施例中，该结构和制作方法防止在高k电介质金属栅极技术中引起Vt变化的氧导入所致的Vt移位。

在一些实施例中，本发明通过栅极电流加热来控制Vt移位。这一方法针对不同Vt移位改进掩模产量和成本、对于所有电路设计而言灵活并且具有存储器应用(例如多值存储器(比如镜位)或一次写入存储器)。该方法和所得结果兼容，并且(与已知方法相比)更易于在现有技术的CMOS SOI高k电介质金属栅极技术上应用(例如高性能、高密度)。本发明可以实施于许多不同应用，诸如例如现场可编程门阵列(FPGA)中。