金属栅/高K栅介质层/Ge MOS电容研究

论文摘要

随着MOS器件尺寸的缩小,进一步提高器件工作性能面临诸多挑战。许多新技术被开发出来用以克服这些挑战,例如为降低栅极漏电流需用高κ栅介质代替传统的Si02栅介质；为解决引入高κ栅介质后导致的多晶硅费米能级钉扎、沟道载流子迁移率降低等问题需用金属栅代替传统的多晶硅栅；用Ge、GaAs等代替传统的Si衬底提高沟道载流子的迁移率；采用多栅结构增强栅极对沟道的控制能力等等。本文在Ge衬底上利用金属栅／高K技术,对分别采用TiN、Al、TiN/Al/TiN栅极的HfO2/GeON/p-Ge电容结构进行了研究,得到以下结果：（1）建立模型,对测量获得的C-V/G-V曲线及电导法表征界面态的结果进行寄生效应修正。MOS电容测量时,连线和样品衬底上的寄生电阻、探针或探针台与样品接触造成的寄生电容等因素,导致直接测量的结果往往不能反映样品本身的真实信息。本论文建立了修正寄生电阻、电容效应的模型,并把这种修正方法应用到电导法对界面态的表征中。（2）研究了退火条件对TiN/HfO2/GeON/p-Ge电容的影响。研究发现采用超薄GeON界面层并结合400℃/3min N2氛围退火是一种有效的钝化p-Ge界面态并降低栅介质中陷阱缺陷的方法。退火过程中,Hf02栅介质中多余间隙氧原子向GeON层中的扩散有利于钝化Ge衬底界面态并减小GeON中的氧空位缺陷,从而获得较理想的C-V曲线簇和C-V回滞特性。（3）探索了不同金属栅材料对Hf02/GeON/p-Ge电容的功函数调制效果。研究发现低功函数的活泼金属Al不适合直接用在HfO2/GeON/p-Ge结构上来调制栅极的功函数：350℃/10min N2氛围的退火后,相对于TiN电极,Al电极样品的界面态钝化效果较差且栅介质缺陷情况恶化。SIMS测试显示,Al原子在退火后向栅介质方向扩散,同时衬底中Ge原子大量扩散进入栅介质层和Al电极,而TiN电极样品在同样条件退火后衬底Ge原子向栅介质中的扩散量较小。研究指出适当条件退火后TiN/Al/TiN电极相对于TiN电极,在不影响HfO2/GeON/p-Ge电容特性的同时可有效降低栅极功函数：400℃/3min N2氛围退火后,TiN/Al/TiN电极相对TiN电极可降低栅极功函数约0.18eV,但更长时间的退火处理并不能更有效的继续降低栅极功函数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MOSFET的基本工作原理
• 1.2 现代MOSFET面临的问题及解决方案
• 1.2.1 高κ栅介质的相关概念
• 1.2.2 对高κ栅介质的要求
• 1.2.3 高κ栅介质的常用制备方法
• 1.2.4 高κ栅介质面临的主要问题
• 1.2.5 金属栅（MG）的引入
• 1.2.6 金属栅的有效功函数和热稳定性
• 1.2.7 金属栅有效功函数的调制
• 1.2.8 新型衬底材料
• 1.2.9 新型器件结构
• 1.3 论文中具体涉及到的研究对象和要解决的问题
• 1.3.1 基于Ge衬底的MG/HK MOS电容结构
• 1.3.2 要解决的主要问题
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 测试、表征方法介绍和寄生效应的修正
• 2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2 透射电子显微术（TEM）
• 2.3 二次离子质谱（SIMS）
• 2.4 根据寄生电阻效应对C-V/G-V曲线的修正
• 2.5 根据寄生电阻和电容效应对C-V/G-V曲线的修正
• 2.6 电导法表征界面态
• 2.6.1 电导法表征界面态的原理
• 2.6.2 根据寄生电阻效应对电导法测量结果的修正
• 2.6.3 根据寄生电阻和电容效应对电导法测量结果的修正
• 2.7 本章小结
• 2/GeON/p-Ge电容特性研究'>第三章 TiN/HfO₂/GeON/p-Ge电容特性研究
• 3.1 样品制作及测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 XRD和TEM测试
• 3.2.2 退火前后的C-V曲线
• 3.2.3 退火前后样品的C-V回滞及对其来源的讨论
• 3.2.4 对栅介质陷阱的表征
• 3.2.5 对界面态的电导法表征
• 3.3 本章小结
• 2/GeON/p-Ge电容栅极功函数调制研究'>第四章 HfO₂/GeON/p-Ge电容栅极功函数调制研究
• 2/GeON/p-Ge结构的不同影响'>4.1 Al和TiN栅极在退火后对HfO₂/GeON/p-Ge结构的不同影响
• 4.1.1 样品制作与测试
• 4.1.2 结果与讨论
• 2/GeON/p-Ge电容栅极功函数的调制'>4.2 TiN/Al/TiN对HfO₂/GeON/p-Ge电容栅极功函数的调制
• 4.2.1 样品制作与测试
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间研究成果