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高k HfO_2/SiO_2 MOS器件的特性研究

刘芳芳  
【摘要】: 在45nm甚至更小的工艺节点下,传统的SiO_2栅氧化层介质厚度已减薄至原子尺度范围,电子的直接隧穿效应将导致栅介质的泄漏电流急剧增大,器件可靠性随之下降。这严重阻碍了器件尺寸按照Moore定律逐渐缩小的趋势。采用金属栅/高k栅介质材料组合的MOSFET取代传统的多晶硅栅/SiO_2组合,已经成为解决这些问题的有效方法之一。 本文首先深入分析了传统多晶硅栅/SiO_2栅介质器件现在所面临的问题,据此研究了替代传统多晶硅栅/SiO_2栅介质器件的金属栅/高k堆叠结构器件,并讨论了新型高k栅介质及金属栅的选择。在模拟软件ISE-TCAD的材料库中引入了所需要的新型材料HfO_2,深入分析了模拟器件所需要添加的模型,进一步对器件的模型参数进行了合理优化。通过模拟仿真金属栅/高k堆叠器件的工作特性,讨论了超薄氧化层的漏电流传导机制;在击穿特性的改善方面,缺陷的仿真具有重要的意义,模拟研究表明缺陷密度不超过1012cm~(-2)时器件能够保持良好的特性。在此基础上,本文还分析了栅介质击穿的可能性模型。 由于金属栅/高k栅介质材料组合的MOSFET具有的优势,它取代传统多晶硅栅/SiO_2组合必将成为未来大势所趋。


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