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随着互补金属氧化物半导体(CMOS)器件特征尺寸的不断缩小,Si基MOS器件的发展达到了其物理极限,新的沟道材料,如应力Si、应力SiGe合金、Ge衬底等,因其较高的载流子迁移率而被采用来提高器件的驱动性能。最近几年,高κ栅介质Ge和SiGe MOSFETs的研究是微电子学领域的热点,主要集中于高κ栅介质的制备工艺及其电特性研究。但对淀积后退火工艺,表面预处理工艺,掺Ti的Hf系氧化物等方面的研究较少。而且,在高κ栅介质Ge MOS器件模型研究方面,如阈值电压模型、栅极漏电流模型等,未见到相关报道。本论文即从理论和实验两方面对上述内容进行了相关研究。主要内容分为三个部分:1) SiGe MOSFET的阈值电压模型;2) Ge MOS器件栅极漏电流模型;3) Hf系高κ栅介质Ge MOS器件的制备及其电特性、界面特性的刻化。本文通过考虑量子效应,提出了一种深亚微米SiGe沟道pMOSFET阈值电压模型,分别考虑了有Si盖帽层和无Si盖帽层两种情况,并讨论了高κ栅介质、短沟道效应和漏致势垒降低效应对阈值电压的影响。模拟结果和实验数据符合良好。利用此模型对器件的主要参数进行了优化设计。基于WKB近似,在分析高κ栅介质/界面层/Ge衬底能带结构的基础上,提出综合考虑直接隧穿和F-N隧穿的栅极漏电流解析模型,模拟结果与实验数据符合较好,表明该模型对于模拟深亚微米叠层高κ栅介质Ge MOS器件在强反型时的栅极漏电较为准确,但在小栅偏压下(Vg < 0.3 V)存在一定的误差,可能的原因是没有充分考虑空穴密度和陷阱电荷对栅极漏电的影响。实验方面,研究了Ge MOS器件的制备工艺,在Ge衬底上制备出了性能良好的HfTiON、HfTiO以及叠层GeON/HfTiO等高κ栅介质:(1)采用反应磁控溅射方法在Ge衬底上生长HfTiN薄膜,然后利用淀积后退火(PDA)工艺,在湿N2气氛中,利用退火系统中剩余的O2将HfTiN薄膜转化成HfTiON栅介质,制备了性能良好的Ge MOS器件,等效氧化物厚度为2.4nm,等效氧化物电荷密度2. 8×1011 cm-2,界面态密度5.9×1011 eV-1 cm-2,栅极漏电流密度4.7×10-4 Acm-2 (Vg = 1V)。并研究了干湿N2退火对器件性能的影响。结果显示,由于GeOx的易水解特性,湿N2退火有效抑制了低κGeOx界面层的生长,大大降低了界面态和等效氧化物电荷密度,进而降低了栅极漏电流;(2)利用反应磁控溅射方法在Ge衬底上制备超薄HfTiO栅介质,通过调节Ti靶的溅射功率研究了Ti浓度对HfTiO介质性能的影响。实验结果表明,在所研究范围内,随着Ti浓度的增加,HfTiO的介电常数增加到40,但高浓度的Ti引起界面特性的恶化和栅极漏电流密度的增加。为了进一步研究淀积后退火对器件电特性的影响,PDA分别在500°C的湿N2、NH3、NO、N2O气氛中进行300s。实验结果表明,湿N2退火样品呈现出最优的电性能:等效氧化物厚度0.81nm,相对介电常数~35,界面态密度~6.4×1011 eV-1 cm-2,等效氧化物电荷密度~1.96×1011 cm-2,+1V栅压时的栅极漏电流~2.71×10-4 Acm-2;(3)研究了湿NO、N2O、NH3表面预处理工艺对器件性能的影响。采用表面预处理工艺制备了GeOxNy以及GeOxNy/HfTiO叠层栅介质MOS器件。结果表明,湿NO表面预处理对制备亚2nm GeOxNy/HfTiO叠层高κ栅介质,降低其界面态密度和等效氧化物电荷密度,从而减小栅极漏电、增强器件可靠性有着十分重要的作用,其电参数达到:等效氧化物厚度1.88nm,等效氧化物电荷密度9.77×1010cm-2,界面态密度2.41×1011 cm-2eV-1,栅极漏电流4.95×10-5 Acm-2。