高k栅介质MOS器件模型和制备工艺研究

论文摘要

随着金属氧化物半导体（MOS）器件尺寸的缩小,栅极漏电急剧增加,导致器件不能正常工作。为了降低超薄栅介质MOS器件的栅极漏电,需采用高介电常数（高k）栅介质代替SiO2。铪（Hf）系氧化物和氮氧化物由于具有高的k值,好的热稳定性,成为当前高k栅介质的研究热点。理论方面,现有高k栅介质MOS器件隧穿电流解析模型主要用于1V以上的区域,拟合参数较多;实验方面,Hf系氧化物的预处理工艺研究较少;HfTi氧化物和氮氧化物研究主要集中于HfTiO材料、Ti的含量、材料的微结构等方面,对于HfTiO等和Si接触的界面特性研究较少。针对这些问题,本文从理论和实验两方面开展了研究工作,具体内容分为三部分:隧穿电流模型研究,Hf和HfTi氧化物和氮氧化物高k栅介质MOS器件制备和电特性研究,以及高k栅介质MOSFET阈值电压模型和亚阈特性研究。对于隧穿电流模型研究,主要采用了两种方法:自洽解方法和解析方法。采用自洽解方法对超薄栅介质MOS器件各子带的能级、Si表面电荷面密度和隧穿电流进行了计算和仿真,模拟结果与实验结果吻合较好。同时也仿真了隧穿电流随衬底掺杂浓度和氧化层厚度的变化,发现低偏置时隧穿电流随衬底掺杂浓度增加而减小;高偏置时,掺杂浓度对隧穿电流影响很小;而隧穿电流与栅介质厚度关系极大。隧穿电流解析模型分为耗尽/反型状态和积累状态隧穿电流模型:（1）在表面势解析模型基础上,通过将多子带等效为单子带,建立了一个拟合参数少的高k栅介质MOS器件在耗尽/反型状态下的隧穿电流解析模型,模拟结果与自洽解结果,Si3N4、HfO2作为栅介质以及HfO2/SiO2叠层栅介质的实验结果均符合较好,计算时间较自洽解方法大大缩短,模型具有一定特色。（2）建立了高k栅介质MOS器件在积累状态的隧穿电流模型。采用此模型模拟了SiO2、HfSiON介质和叠层介质MOS器件的隧穿电流,模拟结果和实验结果符合较好。针对MOS存储器,首次设计了一个具有U型氮分布和类SiO2/Si界面的三层高k栅介质结构——HfON/HfO2/HfSiON结构。该结构能形成好的介质/Si界面,减小栅极漏电,同时解决硼扩散到沟道区的问题。应用积累状态隧穿电流模型对三层高k介质结构进行了优化设计。合理选择三层介质中每一层介质的厚度可以有效抑制栅极漏电。当总的等效氧化物厚度（EOT）为2 nm时,0.3-nm HfON, 0.5-nm HfO2和1.2-nm HfSiON结构是一个优化的设计。实验研究方面,（1）采用反应直流磁控溅射方法制作了不同表面预处理和不同淀积后退火处理（PDA）的HfO2栅介质MOS电容。在HfO2栅介质MOS电容制备过程中,首次采用O2 + TCE表面预处理工艺。对栅极漏电流和应力致漏电（SILC）的测量分析表明,采用O2 + TCE表面预处理工艺可以显著减小界面态密度和氧化物陷阱密度,从而有效减小栅极漏电及应力致漏电的增加。（2）采用不同工艺方法制备了HfTiON栅介质MOS电容,研究了器件的电特性和可靠性。首先,共反应溅射方法制备了HfTiO栅介质薄膜,然后在NO、N2O和NH3气体氛围600 0C退火2 min。电特性研究表明NO退火形成了具有HfTiSiON界面层的HfTiON介质,该介质的界面态和体电荷较低,器件可靠性好。其次,在N2/Ar气氛中,Hf和Ti靶共反应溅射淀积的栅介质薄膜HfTiN在不同气氛650 0C退火2分钟。对HfTiON栅介质MOS器件电性能的研究表明,N2O退火工艺能制备出界面态和体电荷密度低、器件可靠性高的HfTiON栅介质MOS器件。其中,在N2/Ar气氛中溅射淀积栅介质薄膜HfTiN,然后在N2O中退火是有潜力的超薄栅介质制备工艺。研究了高k栅介质MOSFET的阈值电压和亚阈特性:（1）采用PISCES-II模拟器对高k栅介质MOSFET的阈值电压和亚阈特性进行了模拟分析,结果表明,为了使器件的阈值电压和亚阈特性不随高k栅介质的使用而恶化,k值不应大于50,栅介质厚度/沟长比（tox/L）应小于0.2;（2）建立了考虑量子效应和短沟道效应的高k栅介质MOSFET阈值电压模型,模拟结果表明,随k值增加,量子修正的短沟道阈值电压模型给出比经典模型小得多的阈值电压漂移,即未考虑量子效应的经典短沟道模型过高地估计了k值的影响,量子效应和短沟道效应对阈值电压的影响有互相补偿的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 CMOS 集成电路的发展
• 1.2 MOS 器件按比例缩小和使用高K 栅介质的必要性
• 1.3 高K 栅介质替代5102 介质的原则和要求
• 1.4 高K 栅介质MOS 器件模型研究进展
• 1.5 高K 栅介质研究概况
• 1.6 本论文主要研究工作
• 2 自洽解方法求解MOS 器件隧穿电流
• 2.1 量子束缚效应
• 2.2 超薄栅介质MOS 器件界面势阱的量子化效应
• 2.3 自洽解结果与分析
• 2.4 隧穿电流模型
• 2 栅介质MOS 器件仿真结果与分析'>2.5 SIO₂ 栅介质MOS 器件仿真结果与分析
• 2.6 本章小结
• 3 高K 栅介质MOS 器件隧穿电流解析模型
• 3.1 耗尽/反型状态高K 栅介质MOS 器件隧穿电流
• 3.2 积累状态高K 栅介质MOS 器件隧穿电流模型
• 3.3 本章小结
• 2 栅介质MOS 电容制备和电特性研究'>4 HFO₂ 栅介质MOS 电容制备和电特性研究
• 4.1 样品制备流程
• 4.2 界面态和边界陷阱的测量
• 2 栅介质MOS 器件电特性研究'>4.3 HFO₂ 栅介质MOS 器件电特性研究
• 4.4 本章小结
• 5 HFTION 栅介质MOS 电容制备和电特性研究
• 5.1 HFTIO 薄膜的退火及电特性研究
• 5.2 HFTIN 薄膜的退火及电特性研究
• 5.3 本章小结
• 6 高K 栅介质MOSFET 电特性模拟分析
• 6.1 高K 栅介质MOSFET 阈值电压和亚阈斜率模拟
• 6.2 量子条件下的阈值电压模型
• 6.3 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文