论文摘要
在过去的几十年中,用于低功耗、高性能CMOS场效应晶体管栅介质SiO2的厚度持续减小,目前,对于纳米级CMOS器件已减小到只有几个原子层的极限厚度,使栅极漏电和静态功耗急剧增加。为此,高k栅介质材料取代SiO2成为必然趋势。研究较多的高k介质主要是Hf基和Zr基材料。当高k材料用作栅介质时,新的问题如费米能级钉扎效应和软声子导致迁移率的退化等出现。前者已通过采用金属栅替代多晶硅栅的方法而得到解决,而后者是高k介质材料所固有的。为此,在采用高k栅介质的同时,选用高迁移率沟道材料,如应变Si、SiGe及Ge是有效的解决途径。但是,高k介质直接与Ge接触,界面质量很差,往往需要一介电常数高、性能稳定的表面钝化层,这样就形成了叠层高k栅介质结构。针对以上问题,本文从理论和实验两方面开展研究工作,具体内容分为三部分:1)应变SiGe迁移率模型和叠层高k栅介质Si/Ge MOSFET迁移率退化模型研究;2)AlON（TaON）界面层及其HfTa基氧化物（氮氧化物）叠层高k栅介质Ge MOS器件制备工艺和电特性研究;3)HfO2/TaON（HfON）叠层栅介质Ge MOSFET制备工艺及电性能研究。首先,本文在考虑应变对SiGe合金能带结构参数影响的基础上,提出了一个半经验的应变Si1-xGex/Si pMOSFET反型沟道空穴迁移率模型。在该模型中,给出了迁移率随应变的变化,并且考虑了界面陷阱电荷对载流子的库仑散射作用。利用该模型对室温下空穴迁移率随应变的变化及影响空穴迁移率的因素进行了分析讨论。接着,本文提出了一个导致叠层高k栅介质MOSFET迁移率退化的新机制-远程界面粗糙散射的物理模型,研究了界面粗糙散射对Si/Ge p-MOSFETs迁移率退化的影响,对固定电荷远程库仑散射的作用也进行了讨论。利用该模型,模拟了叠层高k栅介质中界面层厚度、电容率及界面粗糙度对迁移率的影响。在保证小的栅介质等效厚度的条件下,平整的界面、具有中等电容率（k = 15 25）的高k栅介质有利于迁移率的提高。实验方面,首先以HfTaO介质为例,研究了在有氧和无氧环境中制备Ge MOS电容的电特性,确定出合适的退火气氛——湿退火气氛;接着比较了不同温度条件下退火对性能的影响,确定出合适的退火温度（500 oC）。最后采用TaON和AlON作为界面层制备了MOS电容,比较研究了有界面和无界面层样品的电特性和微观结构,并分别研究了这两种不同界面层对Ge MOS电容性能的改善。通过比较发现,采用AlON或TaON界面钝化层的样品表现出好的界面特性、低的栅极漏电流;而且由于界面钝化层有效抑制了低k GeOx的生成,从而获得了高的等效k值（小的电容等效厚度）和高的器件可靠性。其中氮氧化物样品由于N的结合而表现出最高的应力可靠性。在上述实验研究基础上,采用TaON和HfON作为界面层,利用自对准及lift-off工艺制备了HfO2叠层栅介质Ge pMOSFET。电性能及微观分析表明,在HfO2和Ge衬底之间插入一层TaON或HfON可以有效钝化表面,抑制氧和高k介质元素与衬底原子间的相互扩散,从而有效抑制了GeOx的生成,减小了界面态密度,使得界面电荷的库仑散射减弱,载流子有效迁移率提高,其中,Al/HfO2/HfON/Ge MOSFET呈现出更理想的输出特性和更高的载流子有效迁移率（TaON和HfON作界面层的晶体管最大迁移率分别达到225 cm2/Vs和239 cm2/Vs）。