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小尺寸MOSFET阈值电压模型及高k栅介质研究

季峰  
【摘要】: 随着MOSFET特征尺寸的不断减小,一些新的物理现象(如:栅极漏电增加、短沟道效应等)不断涌现。而栅极漏电的增加直接导致器件不能正常工作,短沟道效应的增强导致器件阈值电压漂移。为减小栅极漏电,选用合适的高k材料替代SiO2作为栅介质是一种可行的方法。然而,当高k栅介质的物理厚度可以和器件的沟道长度相比拟时,除了短沟道效应、漏致势垒降低效应外,边缘场效应对MOSFET阈值电压的影响也越来越严重。针对这些现象,本文主要在理论和实验两个方面对高k栅介质MOSFET的阈值电压和高k栅介质MOS的制备工艺进行了研究。在理论方面,建立起考虑这些效应的阈值电压模型。在实验方面,重点研究了HfTiON栅介质的制备工艺及叠层栅介质对MOS器件电特性的影响。 首先,本文采用变分法求解二维泊松方程,得到了考虑漏致势垒降低效应、短沟道效应的阈值电压模型,讨论了漏源偏压、栅介质介电常数、沟道长度等对器件阈值电压的影响。模拟结果表明,随着漏源偏压、栅介电常数增加和沟道长度的缩短,器件阈值电压减小。为了更精确地考虑边缘场效应对器件电特性的影响,用保形变换方法得到了小尺寸高k栅介质MOSFET边缘电容模型,模拟结果与Medici模拟器的结果十分吻合。在此基础上,得到了高k栅介质边缘电势的解析分布,并以此为边界条件对阈值电压模型进行了修正。通过对不同侧墙材料MOSFET阈值电压的模拟表明,低介电常数的侧墙介质能有效减小阈值电压漂移,从而得到相应的理论依据。综合分析表明,为减弱边缘场效应采用低k侧墙材料为宜。 实验方面,首先以HfTiO介质为例,研究了表面预处理对高k栅介质MOS电特性的影响。然后研究了在有氧或无氧气氛中磁控溅射Hf靶和Ti靶、制备HfTiON栅介质的工艺:(1)首先在有氧气氛中磁控溅射Hf靶和Ti靶,通过Hf/Ti与氧的反应形成HfTiO,然后通过氮化退火转化成为HfTiON栅介质。比较不同气体氮化退火发现,NO退火能形成HfTiON/HfTiSiON栅介质结构,从而表现出较好的界面特性、低的栅极漏电和高的器件可靠性;(2)在无氧气氛中进行Hf/Ti靶的氮反应溅射,形成HfTiN,然后在N2气氛中、700℃退火30秒,利用N2中的微量氧和退火系统中的剩余氧,将HfTiN转化为HfTiON。比较这两种工艺发现,采用在无氧环境磁控溅射Hf靶和Ti靶所制备的HfTiON介质有较高的k值以及好的电特性。 为解决Ti与Si直接接触热稳定性差的问题,设计制备了无Ti薄界面层的叠层栅介质结构:(a)首先热生长形成一SiON薄层,然后再溅射HfTiN介质,N2气中退火即形成HfTiON/SiON叠层结构。研究表明,由于NO气体适中的氧化/氮化能力,能形成化学计量学的SiON薄层,因此,能获得好的器件电特性;(b)为进一步提高栅介质等效k值,研究了HfSiON作为界面层的HfTiON/HfSiON叠层结构。与没有HfSiON界面层的样品相比,这种叠层栅介质结构表现出低的界面态密度、低的栅极漏电、高的器件可靠性。总之,采用这两种叠层栅介质结构及其相应的制备工艺,能有效改善MOS器件的界面特性、栅极漏电特性和器件可靠性,是制备高质量小尺寸高k栅介质MOSFET的极有潜力的工艺方法。


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