高k栅介质MOS器件的特性模拟与实验研究

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1、作者简介马飞，江苏新沂人。2006年和2009年分别于西安电子科技大学获学士和硕士学位。现就读于西安电子科技大学微电子学院，攻读博士学位。导师：刘红侠教授。主要研究方向：高k栅介质建模和可靠性研究等。代表性成果及经历：已在ChinesePhysicsB，ChinesePhysicsLetters，MicroelectronicsReliability,JournalofAppliedPhysics等权威、核心刊物和国际重要学术会议发表学术论文12篇。FeiMawasborninXinyi，JiangsuProvince，China，i

2、n1983．HereceivedhisB．A．andtheM．S．degreeinMicroelectronicsandSolid—StateElectronicsfromXidianUniversity，Xi’an，China，in2006and2009respectively．NowheisstudyingforthePh．D．degreeinMicroelectronicsSchoolofXidianUniversity,Xi’an．China．HistutorisProfessorHongxiaLiu．Hisresearchi

3、nterestsincludemodeling&reliabilityresearchofhigh—kgatedielectricdevices．Hehaspublishedover12joumalandconferencepapersinChinesePhysicsB，ChinesePhysicsLetters，MicroelectronicsReliability，andJournalofAppliedPhysics．一⋯大学l燃嬲学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师

4、指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：马趸日期：卫』≥：至：金西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技

5、大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：Z盈U导师签名：F1期：摘要随着半导体工艺技术的不断进步，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸也在不断的减小。当传统的Si02栅介质层厚度减小到几个原子尺度大小时，由于量子隧穿效应的影响，Si02将失去介电特性，使M

6、OS器件的栅极漏电和静态功耗急剧的增加。为此，采用高介电常数(高k)栅介质取代Si02成为了必然趋势。然而，当高k栅介质的物理厚度变得可以和器件的沟道长度相比拟时，除了短沟道效应(SCE)、漏致势垒降低效应(DIBL)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的特性和高k栅介质材料的制备进行了研究。在理论方面，研究了高k栅介质对于MOS器件的影响，建立起考虑这些效应的阈值电压模型。在实验方面，采用原子层淀积(ALD)技术生长高k栅介质薄膜，并对其物理和电学

7、特性做了详细的分析。首先，本文对高k栅介质纳米尺度MOS器件的特性进行了研究。随着MOSFET特征尺寸的不断减小，不断涌现出一些新的物理现象(如：栅极漏电增加、SCE等)弱化MOS器件的性能。同时，为了减小栅漏电流而使用的高k栅介质由于其较大的物理厚度引入了一种边缘感应势垒降I'k王(FIBL)效应，增加器件的关态漏电流，极大地退化了器件的关态特性。本文提出一种等效耦合电容理论，可以很好地解释FIBL效应背后的物理机制，帮助更好地理解这种高k栅介质引入的边缘效应。通过优化器件结构(采用低介电常数材料作为侧墙介质、较短的侧墙长度、较低的

8、结深和较短的栅／LDD交叠区长度等)可以很好的抑制FIBL效应，改善器件的关态特性。同时利用提出的等效耦合电容理论，研究了叠栅结构对于FIBL效应的抑制作用，发现采用低介电常数材料作为底层材料时，对于FIBL效果的抑制作