高k栅介质Ge MOS器件迁移率模型及制备工艺研究

论文摘要

随着器件尺寸的不断缩小和电路集成度的不断提高,高k /多晶硅栅结构中的费米钉扎使得多晶硅不再是理想的栅电极。有研究称高k /金属栅结构不仅可以获得低栅薄层电阻、无耗尽的栅、还可以使由高k层产生的光学声子与沟道载流子之间的耦合减小,对沟道载流子迁移率的提高有显著效果,这使得金属栅逐渐呈现出取代多晶硅栅的趋势。目前,高k /金属栅结构已经成为世界上一些知名半导体公司的研究焦点。在对栅电极研究的同时,高k栅介质制备工艺以及MOS电容的电特性研究仍然是当前的热点。本文研究了高k栅介质金属栅Ge MOS迁移率模型。在器件物理的基础上,考虑了MOSFET中用金属栅代替多晶硅栅后光学声子迁移率的变化情况。模型分析了非理想金属栅电极中各种因素对器件光学声子迁移率和有效总迁移率的影响,并对具有高k /金属栅结构器件中的光学声子迁移率和总有效迁移率进行了模拟分析,将其分别与具有高k /多晶硅栅结构器件中的对应量进行比较,发现金属栅的使用将会使沟道载流子迁移率得到很大程度的提高。利用该模型,对金属栅的屏蔽作用在理论上进行了分析和讨论,从理论上说明了金属栅对介质层激发的声子确实具有屏蔽作用,能有效提高器件迁移率。本文研究了用绝缘的氮氧化物对Ge进行钝化制备MOS电容的工艺,并对样品进行了测试。首先通过对不同条件下制得的Ge MOS电容样品的电特性进行分析,确定出了最合适的退火环境和退火温度;其次根据有界面层(TaON和AlON)和无界面层Ge MOS电容样品电特性的差异,研究了这两种不同界面层对Ge MOS电容性能的改善情况,通过比较发现有界面钝化层的样品表现出较好的界面特性。这是因为有钝化层的样品可以有效地抑制低k GeOx的生成,而表现出高的可靠性和好的界面质量。最后比较具有不同界面层的样品电特性发现,TaON比AlON有更好的钝化作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 高K 栅介质材料研究进展和研究意义
• 1.1.1 采用高k 栅电极的必要性
• 1.1.2 MOSFET 栅介质层的性能要求
• 1.1.3 高k 栅介质研究动态
• 1.2 HF 基高K 材料研究现状
• 1.3 金属栅电极研究概述
• 1.4 高K 材料和金属栅电极技术的发展
• 1.5 本论文主要工作和结构安排
• 2 MOSFET 迁移率模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 MOSFET 中的散射机制
• 2.2.1 电离杂质散射
• 2.2.2 晶格振动散射
• 2.2.3 其他因素引起的散射
• 2.3 MOSFET 迁移率模型研究方法
• 2.4 本章小结
• 3 高K 栅介质金属栅电极迁移率模型
• 3.1 引言
• 3.2 软光学声子散射
• 3.3 高K 栅介质金属栅电极迁移率模型的建立
• 3.3.1 色散关系
• 3.3.2 表面光学声子迁移率
• 3.4 模拟结果和分析
• 3.4.1 色散结果及分析
• 3.4.2 光学声子迁移率模拟结果及分析
• 3.4.3 总有效迁移率模拟结果及理论分析
• 3.5 本章小结
• 4 叠层高K 栅介质GE MOS 电容制备工艺及电性能研究
• 4.1 测量方法
• 4.1.1 界面态的测量方法
• 4.1.2 边界陷阱密度测量方法
• 4.2 GE MOS 电容退火工艺研究
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 样品测试及分析
• 4.3 HFTAO（N）/ALON 叠层栅介质MOS 电容制备及电特性分析
• 4.3.1 工艺过程
• 4.3.2 样品测试及分析
• 4.4 HFTAO（N）/TAON 叠层栅介质MOS 电容制备及电特性分析
• 4.4.1 工艺过程以及样品制备
• 4.4.2 样品分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结
• 致谢
• 参考文献