CN110444593A - 金属栅mos晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属栅MOS晶体管，包括：栅极结构、沟道区、源区和漏区。栅极结构包括栅介质层和金属栅；栅介质层形成在半导体衬底表面，被栅极结构所覆盖的半导体衬底组成沟道区；短沟道效应抑制结构设置在栅极结构中同时避免在沟道区中设置短沟道效应抑制结构；在栅介质层和所述金属栅之间设置有功函数层，短沟道效应抑制结构作为功函数层的一部分叠加在功函数层中，短沟道效应抑制结构使金属栅MOS晶体管的阈值电压增加且阈值电压增加值用以抵消沟道区的长度缩短所造成的阈值电压的减少量。本发明能抑制器件的短沟道效应，同时不会降低沟道载流子的迁移率，能提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别涉及一种金属栅(MG)MOS晶体管。
背景技术
MOS晶体管如PMOS管和NMOS管是半导体集成电路中的基础器件，随着技术的发展，器件的关键尺寸(CD)越来越小，关键尺寸主要是指MOS晶体管的沟道区的长度。随着沟道区的长度的减小，器件的短沟道效应越来越严重；器件的短沟道效应是指源漏区对沟道区的耗尽区域逐渐增加，而栅极结构对沟道区的耗尽区域逐渐减少，这就会使得器件的实际沟道长度小于所设计的沟道区的长度，沟道能在更小的栅极电压下形成，器件的阈值电压会变低。器件的短沟道效应会使器件的性能受到严重的影响。
在现有平面MOS晶体管中，通常采用晕圈(halo)注入工艺来降低器件的短沟道效应。但是晕圈注入会将杂质注入到沟道区中，这会是沟道载流子在迁移过程中受到更多的干扰从而会影响到沟道载流子的迁移率，从而降低器件的性能如会使器件的导通电阻增加。
另外，随着器件的微缩，栅氧化层进一步缩小会带来漏电增加的问题，故栅介质层通常采用高介电常数(HK)材料，同时还会采用金属栅(MG)，包括HK和MG叠加结构的栅极结构通常称为HKMG。在现有具有HKMG的MOS晶体管中：
所述高介电常数层的材料包括二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，三氧化二铝(Al2O3)，五氧化二钽(Ta2O5)，氧化钇(Y2O3)，硅酸铪氧化合物(HfSiO4)，二氧化铪(HfO2)，氧化镧(La2O3)，二氧化锆(ZrO2)，钛酸锶(SrTiO3)，硅酸锆氧化合物(ZrSiO4)等。
在所述高介电常数层和半导体衬底之间通常设置由界面层(IL)。现有工艺中，所述高介电常数层的材料通常采用HfO2，界面层通常采用SiO2。
所述栅介质层还包括由氮化钛层(TiN)和氮化钽层(TaN)组成阻障层，阻障层位于所述高介电常数层的顶部，通常阻障层会同时位于功函数层的底部，故位于栅介质层和功函数层之间的阻障层也称为底部阻障层(Bottom Barrier Metal，BBM)。
功函数层形成于底部阻障层和金属栅之间，通常在功函数层和金属栅之间还会形成有和盖帽层，盖帽层位于功函数层的顶部，通常也称为顶部阻障层(Tottom BarrierMetal，TBM)。所述金属栅的材料能采用Al或钨或铜等。所述盖帽层的材料通常采用TiN或者为TiN和Ti的叠加层。
功函数层则会根据MOS晶体管的类型不同而不同：
对于P型MOS晶体管即PMOS管，功函数层为P型功函数层，P型功函数层的功函数半导体衬底如硅衬底的价带附近，现有技术中P型功函数层通常采用TiN。
同样道理，对于N型MOS晶体管即NMOS管，功函数层为N型功函数层，N型功函数层的功函数半导体衬底如硅衬底的导带附近，现有技术中N型功函数层通常采用TiAl。
现有平面MOS晶体管的栅极结构仅从一个面对沟道区进行控制，随着半导体工艺不断发展，如当工艺节点缩小到25nm以下时，现有平面MOS晶体管会出现漏电较大的问题，通常会采用鳍式MOS晶体管(FinFET)。FinFET中的沟道区的掺杂浓度会较低，如果在FinFET中进行halo注入来抑制短沟道效应，对器件的沟道载流子的迁移率会有较大的影响，不利于器件的性能的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金属栅MOS晶体管，能抑制器件的短沟道效应，同时不会降低沟道载流子的迁移率，能提高器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供的金属栅MOS晶体管包括：栅极结构、沟道区、源区和漏区。
所述栅极结构包括栅介质层和金属栅；所述栅介质层形成在半导体衬底表面，被所述栅极结构所覆盖的半导体衬底组成所述沟道区，所述源区和所述漏区形成于沟道区两侧的所述半导体衬底中。
短沟道效应抑制结构设置在所述栅极结构中同时避免在所述沟道区中设置短沟道效应抑制结构。
在所述栅介质层和所述金属栅之间设置有功函数层，所述短沟道效应抑制结构作为所述功函数层的一部分叠加在所述功函数层中，所述短沟道效应抑制结构使所述金属栅MOS晶体管的阈值电压增加且阈值电压增加值用以抵消所述沟道区的长度缩短所造成的阈值电压的减少量。
进一步的改进是，金属栅MOS晶体管为鳍式金属栅MOS晶体管，组成所述沟道区的所述半导体衬底呈鳍体结构。
进一步的改进是，根据所述沟道区的长度不同，所述金属栅MOS晶体管分为长沟道器件和短沟道器件，且在同一所述半导体衬底上同时形成有所述长沟道器件和所述短沟道器件。
所述长沟道器件的沟道区的长度大于所述短沟道器件的沟道区的长度，且所述长沟道器件的沟道区的长度使所述长沟道器件没有短沟道效应，所述短沟道器件的沟道区的长度使所述短沟道器件具有短沟道效应。
在所述短沟道器件中设置有所述短沟道效应抑制结构，所述长沟道器件中没有设置所述短沟道效应抑制结构；对于沟道导电类型相同的所述长沟道器件和所述短沟道器件，所述短沟道器件中的所述短沟道效应抑制结构使所述短沟道器件的阈值电压增加到和所述长沟道器件的阈值电压趋于相等。
进一步的改进是，所述金属栅MOS晶体管包括NMOS管；所述长沟道器件包括长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道NMOS管。
进一步的改进是，所述长沟道NMOS管的功函数层由第一N型功函数层组成。
所述短沟道NMOS管的功函数层由第一P型功函数层和第一N型功函数层叠加而成，所述第一P型功函数层为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构。
进一步的改进是，所述金属栅MOS晶体管包括PMOS管；所述长沟道器件包括长沟道PMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管。
进一步的改进是，所述长沟道PMOS管的功函数层包括第二P型功函数层和第三P型功函数层的叠加结构。
所述短沟道PMOS管的功函数层由在所述长沟道PMOS管的功函数层的基础上减去所述第三P型功函数层形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层使所述短沟道PMOS管的功函数层中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构。
进一步的改进是，所述金属栅MOS晶体管包括PMOS管和NMOS管。
所述长沟道器件包括长沟道PMOS管和长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管和短沟道NMOS管。
进一步的改进是，所述长沟道NMOS管的功函数层由第一N型功函数层组成；所述短沟道NMOS管的功函数层由第一P型功函数层和第一N型功函数层叠加而成，所述第一P型功函数层为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构。
所述长沟道PMOS管的功函数层由所述第一N型功函数层、所述第一P型功函数层、第二P型功函数层和第三P型功函数层叠加而成。
所述短沟道PMOS管的功函数层由在所述长沟道PMOS管的功函数层的基础上减去所述第三P型功函数层形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层使所述短沟道PMOS管的功函数层中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构。
进一步的改进是，所述第一N型功函数层的材料包括TiAl，所述第一P型功函数层、第二P型功函数层和第三P型功函数层的材料包括TiN。
进一步的改进是，所述金属栅的材料包括Al或W。
进一步的改进是，所述栅介质层包括高介电常数层。
进一步的改进是，所述栅介质层还包括界面层，所述界面层位于所述高介电常数层和半导体衬底之间。
进一步的改进是，在所述高介电常数层和所述功函数层之间还设置有底部阻障层。
进一步的改进是，在所述功函数层和所述金属栅之间还设置有顶部阻障层。
本发明将短沟道效应抑制结构作为功函数层的一部分叠加在功函数层中，能够避免在沟道区中设置短沟道效应抑制结构，所以本发明能通过短沟道效应抑制结构抑制器件的短沟道效应；同时由于短沟道效应抑制结构没有设置在沟道区中，故短沟道效应抑制结构不会对沟道区的结构造成不利影响例如不会降低沟道载流子的迁移率，从而能提高器件的性能如能降低器件的导通电阻。
另外，本发明通过将短沟道效应抑制结构设置在功函数层中，通过调整功函数层就能消除器件的短沟道效应，故本发明还具有方便实现不具有短沟道效应的长沟道器件和短沟道器件的集成的特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例金属栅MOS晶体管的栅极结构的示意图；
图2A是本发明第一较佳实施例的栅极结构中的长沟道器件的功函数层的结构图；
图2B是本发明第一较佳实施例的栅极结构中的短沟道器件的功函数层的结构图；
图3A是本发明第二较佳实施例的栅极结构中的长沟道器件的功函数层的结构图；
图3B是本发明第二较佳实施例的栅极结构中的短沟道器件的功函数层的结构图；
图4是本发明第二较佳实施例金属栅MOS晶体管的阈值电压曲线和现有金属栅MOS晶体管的阈值电压曲线的比较图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例金属栅MOS晶体管的栅极结构的示意图；本发明实施例金属栅MOS晶体管包括：栅极结构、沟道区、源区和漏区。
所述栅极结构包括栅介质层1和金属栅4；所述栅介质层1形成在半导体衬底表面，被所述栅极结构所覆盖的半导体衬底组成所述沟道区，所述源区和所述漏区形成于沟道区两侧的所述半导体衬底中。
所述半导体衬底通常采用硅衬底。在其他实施例中，所述半导体衬底也能采用其他半导体材料组成的衬底，如锗硅衬底；还能采用SOI衬底。
短沟道效应抑制结构3设置在所述栅极结构中同时避免在所述沟道区中设置短沟道效应抑制结构3。
在所述栅介质层1和所述金属栅4之间设置有功函数层2，所述短沟道效应抑制结构3作为所述功函数层2的一部分叠加在所述功函数层2中，所述短沟道效应抑制结构3使所述金属栅MOS晶体管的阈值电压增加且阈值电压增加值用以抵消所述沟道区的长度缩短所造成的阈值电压的减少量。
本发明实施例中，金属栅MOS晶体管为鳍式金属栅MOS晶体管，组成所述沟道区的所述半导体衬底呈鳍体结构。本发明实施例金属栅MOS晶体管主要作为逻辑器件(LogicDevice)使用。
根据所述沟道区的长度不同，所述金属栅MOS晶体管分为长沟道器件和短沟道器件，且在同一所述半导体衬底上同时形成有所述长沟道器件和所述短沟道器件。
所述长沟道器件的沟道区的长度大于所述短沟道器件的沟道区的长度，且所述长沟道器件的沟道区的长度使所述长沟道器件没有短沟道效应，所述短沟道器件的沟道区的长度使所述短沟道器件具有短沟道效应。
在所述短沟道器件中设置有所述短沟道效应抑制结构3，所述长沟道器件中没有设置所述短沟道效应抑制结构3；对于沟道导电类型相同的所述长沟道器件和所述短沟道器件，所述短沟道器件中的所述短沟道效应抑制结构3使所述短沟道器件的阈值电压增加到和所述长沟道器件的阈值电压趋于相等。
所述金属栅4的材料包括Al或W。
所述栅介质层1包括高介电常数层。所述高介电常数层的材料包括二氧化硅，氮化硅，三氧化二铝，五氧化二钽，氧化钇，硅酸铪氧化合物，二氧化铪，氧化镧，二氧化锆，钛酸锶，硅酸锆氧化合物等。
在所述高介电常数层和半导体衬底之间通常设置由界面层。现有工艺中，所述高介电常数层的材料通常采用HfO2，界面层通常采用SiO2。
在所述高介电常数层和所述功函数层2之间还设置有底部阻障层。底部阻障层通常由氮化钛层和氮化钽层叠加而成。
在所述功函数层2和所述金属栅4之间还设置有顶部阻障层即盖帽层。所述盖帽层的材料通常采用TiN或者为TiN和Ti的叠加层。
本发明实施例将短沟道效应抑制结构3作为功函数层2的一部分叠加在功函数层2中，能够避免在沟道区中设置短沟道效应抑制结构3，所以本发明实施例能通过短沟道效应抑制结构3抑制器件的短沟道效应；同时由于短沟道效应抑制结构3没有设置在沟道区中，故短沟道效应抑制结构3不会对沟道区的结构造成不利影响例如不会降低沟道载流子的迁移率，从而能提高器件的性能如能降低器件的导通电阻。
另外，本发明实施例通过将短沟道效应抑制结构3设置在功函数层2中，通过调整功函数层2就能消除器件的短沟道效应，故本发明实施例还具有方便实现不具有短沟道效应的长沟道器件和短沟道器件的集成的特点。
为了更清楚的说明本发明实施例，下面以具体的器件类型来做进一步说明：
本发明第一较佳实施例：
如图2A所示，是本发明第一较佳实施例的栅极结构中的长沟道器件的功函数层的结构图；如图2B所示，是本发明第一较佳实施例的栅极结构中的短沟道器件的功函数层的结构图；本发明第一较佳实施例中，所述金属栅MOS晶体管包括NMOS管；所述长沟道器件包括长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道NMOS管。
如图2A所示，所述长沟道NMOS管的功函数层2a由第一N型功函数层101组成；图2A中单独采用标记2a表示所述长沟道NMOS管的功函数层。所述第一N型功函数层101的材料包括TiAl。
如图2B所示，所述短沟道NMOS管的功函数层2b由第一P型功函数层102a和第一N型功函数层101叠加而成，所述第一P型功函数层102a为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构3。图2B中单独采用标记2b表示所述短沟道NMOS管的功函数层。所述第一P型功函数层102a的材料包括TiN。
本发明第二较佳实施例：
如图3A所示，是本发明第二较佳实施例的栅极结构中的长沟道器件的功函数层的结构图；如图3B所示，是本发明第二较佳实施例的栅极结构中的短沟道器件的功函数层的结构图；所述金属栅MOS晶体管包括PMOS管；所述长沟道器件包括长沟道PMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管。
如图3B所示，所述长沟道PMOS管的功函数层2d包括第二P型功函数层102b和第三P型功函数层102c的叠加结构。图3B中单独采用标记2d表示所述长沟道PMOS管的功函数层。图3B中，功函数层2d还包括第一P型功函数层102a和第一N型功函数层101，第一P型功函数层102a位于所述栅介质层1和所述第二P型功函数层102b之间，所述第一N型功函数层101位于所述第三P型功函数层102c的表面上。所述第一N型功函数层101的材料包括TiAl，所述第一P型功函数层102a、第二P型功函数层102b和第三P型功函数层102c的材料包括TiN。
如图3A所示，所述短沟道PMOS管的功函数层2c由在所述长沟道PMOS管的功函数层2d的基础上减去所述第三P型功函数层102c形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层102c使所述短沟道PMOS管的功函数层2c中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构3。
如图4所示，是本发明第二较佳实施例金属栅MOS晶体管的阈值电压曲线和现有金属栅MOS晶体管的阈值电压曲线的比较图；横坐标对应于栅极结构的长度，也即对应于沟道区的长度；纵坐标对应于阈值电压，由于PMOS管的阈值电压是负值，故纵坐标对应于阈值电压的绝对值；虚线框201所示区域的沟道区长度较短，对应于短沟道器件，沟道区长度大于虚线框201的器件对应于长沟道器件。曲线202对应于现有金属栅MOS晶体管的阈值电压变化曲线，现有金属栅MOS晶体管中，短沟道器件中并没有设置短沟道效应抑制结构，故曲线202在虚线框201所示区域中会下降，即阈值电压会降低，这是短沟道效应的表现。而曲线203对应于本发明第二较佳实施例金属栅MOS晶体管的阈值电压曲线，可以看出，本发明第二较佳实施例在短沟道器件中并设置了短沟道效应抑制结构3，故对应的阈值电压会升高，如虚线箭头线所示，这样使得虚线框202区域中的阈值电压得到拉升，阈值电压的拉升值即为通过短沟道效应抑制结构3拉升的，很好的抵消所述沟道区的长度缩短所造成的阈值电压的减少量。从曲线203可以看出，拉升后的短沟道器件的阈值电压会向长沟道器件的阈值电压趋近。
本发明第三较佳实施例：
本发明第三较佳实施例中，所述金属栅MOS晶体管同时，包括PMOS管和NMOS管，也即本发明较佳实施例中，在同一半导体衬底上同时集成有PMOS管和NMOS管。
所述长沟道器件包括长沟道PMOS管和长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管和短沟道NMOS管。
如图2A所示，所述长沟道NMOS管的功函数层2a由第一N型功函数层101组成。
如图2B所示，所述短沟道NMOS管的功函数层2b由第一P型功函数层102a和第一N型功函数层101叠加而成，所述第一P型功函数层102a为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构3。
如图3B所示，所述长沟道PMOS管的功函数层2d由所述第一N型功函数层101、所述第一P型功函数层102a、第二P型功函数层102b和第三P型功函数层102c叠加而成。
如图3A所示，所述短沟道PMOS管的功函数层2c由在所述长沟道PMOS管的功函数层2d的基础上减去所述第三P型功函数层102c形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层102c使所述短沟道PMOS管的功函数层2c中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构3。
所述第一N型功函数层101的材料包括TiAl，所述第一P型功函数层102a、第二P型功函数层102b和第三P型功函数层102c的材料包括TiN。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种金属栅MOS晶体管，其特征在于，包括：栅极结构、沟道区、源区和漏区；
所述栅极结构包括栅介质层和金属栅；所述栅介质层形成在半导体衬底表面，被所述栅极结构所覆盖的半导体衬底组成所述沟道区，所述源区和所述漏区形成于沟道区两侧的所述半导体衬底中；
短沟道效应抑制结构设置在所述栅极结构中同时避免在所述沟道区中设置短沟道效应抑制结构；
在所述栅介质层和所述金属栅之间设置有功函数层，所述短沟道效应抑制结构作为所述功函数层的一部分叠加在所述功函数层中，所述短沟道效应抑制结构使所述金属栅MOS晶体管的阈值电压增加且阈值电压增加值用以抵消所述沟道区的长度缩短所造成的阈值电压的减少量。
2.如权利要求1所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：金属栅MOS晶体管为鳍式金属栅MOS晶体管，组成所述沟道区的所述半导体衬底呈鳍体结构。
3.如权利要求1或2所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：根据所述沟道区的长度不同，所述金属栅MOS晶体管分为长沟道器件和短沟道器件，且在同一所述半导体衬底上同时形成有所述长沟道器件和所述短沟道器件；
所述长沟道器件的沟道区的长度大于所述短沟道器件的沟道区的长度，且所述长沟道器件的沟道区的长度使所述长沟道器件没有短沟道效应，所述短沟道器件的沟道区的长度使所述短沟道器件具有短沟道效应；
在所述短沟道器件中设置有所述短沟道效应抑制结构，所述长沟道器件中没有设置所述短沟道效应抑制结构；对于沟道导电类型相同的所述长沟道器件和所述短沟道器件，所述短沟道器件中的所述短沟道效应抑制结构使所述短沟道器件的阈值电压增加到和所述长沟道器件的阈值电压趋于相等。
4.如权利要求3所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述金属栅MOS晶体管包括NMOS管；所述长沟道器件包括长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道NMOS管。
5.如权利要求4所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述长沟道NMOS管的功函数层由第一N型功函数层组成；
所述短沟道NMOS管的功函数层由第一P型功函数层和第一N型功函数层叠加而成，所述第一P型功函数层为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构。
6.如权利要求3所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述金属栅MOS晶体管包括PMOS管；所述长沟道器件包括长沟道PMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管。
7.如权利要求6所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述长沟道PMOS管的功函数层包括第二P型功函数层和第三P型功函数层的叠加结构；
所述短沟道PMOS管的功函数层由在所述长沟道PMOS管的功函数层的基础上减去所述第三P型功函数层形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层使所述短沟道PMOS管的功函数层中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构。
8.如权利要求3所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述金属栅MOS晶体管包括PMOS管和NMOS管；
所述长沟道器件包括长沟道PMOS管和长沟道NMOS管，所述短沟道器件包括短沟道PMOS管和短沟道NMOS管。
9.如权利要求8所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述长沟道NMOS管的功函数层由第一N型功函数层组成；所述短沟道NMOS管的功函数层由第一P型功函数层和第一N型功函数层叠加而成，所述第一P型功函数层为所述短沟道NMOS管的所述短沟道效应抑制结构；
所述长沟道PMOS管的功函数层由所述第一N型功函数层、所述第一P型功函数层、第二P型功函数层和第三P型功函数层叠加而成；
所述短沟道PMOS管的功函数层由在所述长沟道PMOS管的功函数层的基础上减去所述第三P型功函数层形成的叠加结构组成；减去所述第三P型功函数层使所述短沟道PMOS管的功函数层中内含具有使所述短沟道PMOS管的阈值电压增加的所述短沟道效应抑制结构。
10.如权利要求9所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述第一N型功函数层的材料包括TiAl，所述第一P型功函数层、第二P型功函数层和第三P型功函数层的材料包括TiN。
11.如权利要求10所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述金属栅的材料包括Al或W。
12.如权利要求1所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述栅介质层包括高介电常数层。
13.如权利要求12所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：所述栅介质层还包括界面层，所述界面层位于所述高介电常数层和半导体衬底之间。
14.如权利要求13所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：在所述高介电常数层和所述功函数层之间还设置有底部阻障层。
15.如权利要求14所述的金属栅MOS晶体管，其特征在于：在所述功函数层和所述金属栅之间还设置有顶部阻障层。
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|---|---|---|---|---|
| CN111415934A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-14 | 上海华力集成电路制造有限公司 | Pmos和nmos的集成结构及其制造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110127618A1 (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-02 | Thilo Scheiper | Performance enhancement in pfet transistors comprising high-k metal gate stack by increasing dopant confinement |
| CN107492498A (zh) * | 2016-06-13 | 2017-12-19 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 鳍式场效应管的形成方法 |
| CN109285810A (zh) * | 2017-07-20 | 2019-01-29 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法和电子装置 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110127618A1 (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-02 | Thilo Scheiper | Performance enhancement in pfet transistors comprising high-k metal gate stack by increasing dopant confinement |
| CN107492498A (zh) * | 2016-06-13 | 2017-12-19 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 鳍式场效应管的形成方法 |
| CN109285810A (zh) * | 2017-07-20 | 2019-01-29 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法和电子装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111415934A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-14 | 上海华力集成电路制造有限公司 | Pmos和nmos的集成结构及其制造方法 |
| CN111415934B (zh) * | 2020-03-31 | 2023-06-09 | 上海华力集成电路制造有限公司 | Pmos和nmos的集成结构及其制造方法 |
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