la-基高k栅介质ge+mos器件制备及栅极直接隧穿电流模型

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1、华中科技大学博士学位论文摘要为了在等比例缩小器件特征尺寸的同时，保持高的电流驱动能力和开关速度，传统的SiO2栅介质被高k材料替代，高迁移率沟道材料取代了Si基材料。作为下一代高性能MOSFET之一，高k栅介质/GeMOS器件引起了人们的广泛兴趣。但是，普通高k栅介质与Ge接触极易形成GeOx界面层，引起器件性能退化，妨碍了高性能MOSFET的制造。因此，找到一种与Ge有良好接触特性的高k栅介质材料显得十分必要。本文围绕这一问题开展了La-系高k栅介质GeMOS器件制备工艺和电特性研究以及La2O3和LaON作为钝化层制备堆栈高k栅介质GeMOS器件制

2、备工艺和电特性研究。理论方面，建立了超薄栅介质MOS器件栅极直接隧穿电流模型。在采用比拟势阱的近似方法得到电势分布的基础上，用WKB近似方法求解电场的量子效应模型，建立了极薄栅介质MOSFETs直接隧穿栅极漏电流模型。通过将模型模拟结果与数值自洽结果或实验数据进行比较，验证了模型的正确性和合理性。模型能较为精确地模拟不同衬底、不同掺杂浓度以及不同栅介质材料和厚度的小尺寸MOS器件栅极直接隧穿电流。在器件制备方面，首先采用电子束蒸发方法淀积La2O3栅介质制备了GeMOS器件，并重点研究了NH3、N2、NO、N2O和O2五种退火气体对La2O3栅介质Ge

3、MOS器件的电特性的影响，确定出La-系栅介质GeMOS器件的合适退火气体为N2。接着研究了La2O3、LaON、LaTiO和LaTiON栅介质GeMOS电容的电特性，并对LaTiON栅介质中Ti和N含量进行了优化研究。实验结果表明，La2O3和LaON栅介质GeMOS电容表现出良好的界面特性，但k值较低；而LaTiON栅介质具有较高的k值，且当Ti、N含量为合适值时，LaTiON栅介质GeMOS器件呈现出较理想的界面特性和栅极漏电流特性。在本论文研究范围内，当Ti与La2O3比值为14.7％、Ar与N2的比率为24:6时，栅介质具有一个高的相对介电常

4、数（24.6），低的界面态密度（3.1×1011eV-1cm-2），和相对低的栅极漏电流密度（Vg=1V时，2.0×10-3Acm-2）。以HfO2作为栅介质，研究了LaON和La2O3钝化层对GeMOS器件的电特性的影响。通过比较HfO2/LaON、HfO2/La2O3堆栈栅介质GeMOS电容的电特性，发现LaONI华中科技大学博士学位论文能有效阻挡Ge、O和Hf的相互扩散，而La2O3不能，故HfO2/LaONGeMOS器件比HfO2/La2O3MOS器件表现出更好的界面特性和电特性：较低的界面态密度(4.2×1011eV-1cm-2)、较小的栅极

5、漏电流(Vg=1V时，6.1×10-6Acm-2）和电容等效厚度(CET，2.0nm)，以及可忽略的C-V频率色散。进一步地，制备了HfTiO/LaON堆栈栅介质GeMOS电容，同样获得了优良的界面特性和电特性。关键词：GeMOS器件；La系高k栅介质；界面特性；表面钝化层；直接隧穿电流II华中科技大学博士学位论文AbstractInordertomaintainthecurrentdrivecapabilityandswitchingspeedofthedevices,whilescaledownthedevicefeaturesize,thecon

6、ventionalSiO2gatedielectricwasreplacedbyhigh-kmaterialsandhighmobilitychannelmaterialswasusedtoreplacetheSisubstrate.Asoneofthenextgenerationhigh-performanceMOSFET,high-kgatedielectric/GeMOSdeviceshavearousedwideinterest.However,theordinaryhigh-kgatedielectriccaneasilyformGeOxin

7、terfacelayerwhendirectlycontactwithGe,whichcausesdeviceperformancedegradationandpreventsthemanufactureofhigh-performanceMOSFET.Therefore,itisnecessarytofindahigh-kgatedielectricmaterialwhichexhibitshigh-qualityinterfacewhendirectlycontactwithGe.Focusingonthisissue,thepaperstudie

8、sthefabricationprocessesandelectricalproperties