小尺寸MOSFET閾值電壓模型及高k柵介質研究.pdf

1、隨著MOSFET 特征尺寸的不斷減小，一些新的物理現(xiàn)象(如：柵極漏電增加、短溝道效應等)不斷涌現(xiàn)。而柵極漏電的增加直接導致器件不能正常工作，短溝道效應的增強導致器件閾值電壓漂移。為減小柵極漏電，選用合適的高k 材料替代SiO2作為柵介質是一種可行的方法。然而，當高k柵介質的物理厚度可以和器件的溝道長度相比擬時，除了短溝道效應、漏致勢壘降低效應外，邊緣場效應對MOSFET 閾值電壓的影響也越來越嚴重。針對這些現(xiàn)象，本文主要在理論和實驗兩個

2、方面對高k 柵介質MOSFET的閾值電壓和高k 柵介質MOS的制備工藝進行了研究。在理論方面，建立起考慮這些效應的閾值電壓模型。在實驗方面，重點研究了HfTiON 柵介質的制備工藝及疊層柵介質對MOS 器件電特性的影響。
　　 首先，本文采用變分法求解二維泊松方程，得到了考慮漏致勢壘降低效應、短溝道效應的閾值電壓模型，討論了漏源偏壓、柵介質介電常數(shù)、溝道長度等對器件閾值電壓的影響。模擬結果表明，隨著漏源偏壓、柵介電常數(shù)增加和溝道

3、長度的縮短，器件閾值電壓減小。為了更精確地考慮邊緣場效應對器件電特性的影響，用保形變換方法得到了小尺寸高k柵介質MOSFET邊緣電容模型，模擬結果與Medici模擬器的結果十分吻合。在此基礎上，得到了高k柵介質邊緣電勢的解析分布，并以此為邊界條件對閾值電壓模型進行了修正。通過對不同側墻材料MOSFET閾值電壓的模擬表明，低介電常數(shù)的側墻介質能有效減小閾值電壓漂移，從而得到相應的理論依據(jù)。綜合分析表明，為減弱邊緣場效應采用低k側墻材料為宜

4、。
　　 實驗方面，首先以HfTiO介質為例，研究了表面預處理對高k柵介質MOS電特性的影響。然后研究了在有氧或無氧氣氛中磁控濺射Hf靶和Ti靶、制備HfTiON柵介質的工藝：(1)首先在有氧氣氛中磁控濺射Hf靶和Ti靶，通過Hf/Ti與氧的反應形成HfTiO，然后通過氮化退火轉化成為HfTiON柵介質。比較不同氣體氮化退火發(fā)現(xiàn)，NO退火能形成HfTiON/HfTiSiON柵介質結構，從而表現(xiàn)出較好的界面特性、低的柵極漏電和高的

5、器件可靠性；(2)在無氧氣氛中進行Hf/Ti靶的氮反應濺射，形成HfTiN，然后在N2氣氛中、700℃退火30秒，利用N2中的微量氧和退火系統(tǒng)中的剩余氧，將HfTiN轉化為HfTiON。比較這兩種工藝發(fā)現(xiàn)，采用在無氧環(huán)境磁控濺射Hf靶和Ti靶所制備的HfTiON介質有較高的k值以及好的電特性。
　　 為解決Ti與Si直接接觸熱穩(wěn)定性差的問題，設計制備了無Ti薄界面層的疊層柵介質結構：(a)首先熱生長形成一SiON薄層，然后再濺射

6、HfTiN介質，N2氣中退火即形成HfTiON/SiON疊層結構。研究表明，由于NO氣體適中的氧化/氮化能力，能形成化學計量學的SiON薄層，因此，能獲得好的器件電特性；(b)為進一步提高柵介質等效k值，研究了HfSiON作為界面層的HfTiON/HfSiON疊層結構。與沒有HfSiON界面層的樣品相比，這種疊層柵介質結構表現(xiàn)出低的界面態(tài)密度、低的柵極漏電、高的器件可靠性。總之，采用這兩種疊層柵介質結構及其相應的制備工藝，能有效改善MO