La-基高k柵介質(zhì)Ge MOS器件制備及柵極直接隧穿電流模型.pdf

1、為了在等比例縮小器件特征尺寸的同時,保持高的電流驅(qū)動能力和開關(guān)速度,傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)被高 k材料替代,高遷移率溝道材料取代了Si基材料。作為下一代高性能MOSFET之一,高k柵介質(zhì)/Ge MOS器件引起了人們的廣泛興趣。但是,普通高k柵介質(zhì)與Ge接觸極易形成GeOx界面層,引起器件性能退化,妨礙了高性能MOSFET的制造。因此,找到一種與Ge有良好接觸特性的高k柵介質(zhì)材料顯得十分必要。本文圍繞這一問題開展了La-系高k柵介質(zhì)Ge M

2、OS器件制備工藝和電特性研究以及La2O3和LaON作為鈍化層制備堆棧高k柵介質(zhì)Ge MOS器件制備工藝和電特性研究。理論方面,建立了超薄柵介質(zhì)MOS器件柵極直接隧穿電流模型。
　　在采用比擬勢阱的近似方法得到電勢分布的基礎(chǔ)上,用WKB近似方法求解電場的量子效應(yīng)模型,建立了極薄柵介質(zhì)MOSFETs直接隧穿柵極漏電流模型。通過將模型模擬結(jié)果與數(shù)值自洽結(jié)果或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗證了模型的正確性和合理性。模型能較為精確地模擬不同襯底、不

3、同摻雜濃度以及不同柵介質(zhì)材料和厚度的小尺寸MOS器件柵極直接隧穿電流。
　　在器件制備方面,首先采用電子束蒸發(fā)方法淀積La2O3柵介質(zhì)制備了Ge MOS器件,并重點研究了NH3、N2、NO、N2O和O2五種退火氣體對La2O3柵介質(zhì)Ge MOS器件的電特性的影響,確定出La-系柵介質(zhì)Ge MOS器件的合適退火氣體為N2。接著研究了La2O3、LaON、LaTiO和LaTiON柵介質(zhì)Ge MOS電容的電特性,并對LaTiON柵介質(zhì)中

4、Ti和N含量進(jìn)行了優(yōu)化研究。實驗結(jié)果表明,La2O3和LaON柵介質(zhì)Ge MOS電容表現(xiàn)出良好的界面特性,但k值較低;而LaTiON柵介質(zhì)具有較高的k值,且當(dāng)Ti、N含量為合適值時,LaTiON柵介質(zhì)Ge MOS器件呈現(xiàn)出較理想的界面特性和柵極漏電流特性。在本論文研究范圍內(nèi),當(dāng)Ti與La2O3比值為14.7％、Ar與N2的比率為24:6時,柵介質(zhì)具有一個高的相對介電常數(shù)(24.6),低的界面態(tài)密度(3.1×1011 eV-1cm-2),

5、和相對低的柵極漏電流密度(Vg=1 V時,2.0×10-3 Acm-2)。
　　以HfO2作為柵介質(zhì),研究了LaON和La2O3鈍化層對Ge MOS器件的電特性的影響。通過比較HfO2/LaON、HfO2/La2O3堆棧柵介質(zhì)Ge MOS電容的電特性,發(fā)現(xiàn)LaON能有效阻擋Ge、O和Hf的相互擴(kuò)散,而La2O3不能,故HfO2/LaON Ge MOS器件比HfO2/La2O3 MOS器件表現(xiàn)出更好的界面特性和電特性:較低的界面態(tài)密