小尺寸MOSFET閾值電壓模型及高k柵介質(zhì)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(yīng)等)不斷涌現(xiàn)。而柵極漏電的增加直接導(dǎo)致器件不能正常工作，短溝道效應(yīng)的增強(qiáng)導(dǎo)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(zhì)是一種可行的方法。然而，當(dāng)高k柵介質(zhì)的物理厚度可以和器件的溝道長(zhǎng)度相比擬時(shí)，除了短溝道效應(yīng)、漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)外，邊緣場(chǎng)效應(yīng)對(duì)MOSFET 閾值電壓的影響也越來(lái)越嚴(yán)重。針對(duì)這些現(xiàn)象，本文主要在理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)

2、方面對(duì)高k 柵介質(zhì)MOSFET的閾值電壓和高k 柵介質(zhì)MOS的制備工藝進(jìn)行了研究。在理論方面，建立起考慮這些效應(yīng)的閾值電壓模型。在實(shí)驗(yàn)方面，重點(diǎn)研究了HfTiON 柵介質(zhì)的制備工藝及疊層?xùn)沤橘|(zhì)對(duì)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(shì)壘降低效應(yīng)、短溝道效應(yīng)的閾值電壓模型，討論了漏源偏壓、柵介質(zhì)介電常數(shù)、溝道長(zhǎng)度等對(duì)器件閾值電壓的影響。模擬結(jié)果表明，隨著漏源偏壓、柵介電常數(shù)增加和溝道

3、長(zhǎng)度的縮短，器件閾值電壓減小。為了更精確地考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)對(duì)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(zhì)MOSFET邊緣電容模型，模擬結(jié)果與Medici模擬器的結(jié)果十分吻合。在此基礎(chǔ)上，得到了高k柵介質(zhì)邊緣電勢(shì)的解析分布，并以此為邊界條件對(duì)閾值電壓模型進(jìn)行了修正。通過(guò)對(duì)不同側(cè)墻材料MOSFET閾值電壓的模擬表明，低介電常數(shù)的側(cè)墻介質(zhì)能有效減小閾值電壓漂移，從而得到相應(yīng)的理論依據(jù)。綜合分析表明，為減弱邊緣場(chǎng)效應(yīng)采用低k側(cè)墻材料為宜

4、。
　　 實(shí)驗(yàn)方面，首先以HfTiO介質(zhì)為例，研究了表面預(yù)處理對(duì)高k柵介質(zhì)MOS電特性的影響。然后研究了在有氧或無(wú)氧氣氛中磁控濺射Hf靶和Ti靶、制備HfTiON柵介質(zhì)的工藝：(1)首先在有氧氣氛中磁控濺射Hf靶和Ti靶，通過(guò)Hf/Ti與氧的反應(yīng)形成HfTiO，然后通過(guò)氮化退火轉(zhuǎn)化成為HfTiON柵介質(zhì)。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(zhì)結(jié)構(gòu)，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(wú)氧氣氛中進(jìn)行Hf/Ti靶的氮反應(yīng)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(zhuǎn)化為HfTiON。比較這兩種工藝發(fā)現(xiàn)，采用在無(wú)氧環(huán)境磁控濺射Hf靶和Ti靶所制備的HfTiON介質(zhì)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(wèn)題，設(shè)計(jì)制備了無(wú)Ti薄界面層的疊層?xùn)沤橘|(zhì)結(jié)構(gòu)：(a)首先熱生長(zhǎng)形成一SiON薄層，然后再濺射

6、HfTiN介質(zhì)，N2氣中退火即形成HfTiON/SiON疊層結(jié)構(gòu)。研究表明，由于NO氣體適中的氧化/氮化能力，能形成化學(xué)計(jì)量學(xué)的SiON薄層，因此，能獲得好的器件電特性；(b)為進(jìn)一步提高柵介質(zhì)等效k值，研究了HfSiON作為界面層的HfTiON/HfSiON疊層結(jié)構(gòu)。與沒(méi)有HfSiON界面層的樣品相比，這種疊層?xùn)沤橘|(zhì)結(jié)構(gòu)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?？傊?，采用這兩種疊層?xùn)沤橘|(zhì)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的制備工藝，能有效改善MO