高k柵介質(zhì)(In)GaAs MOS器件遷移率模型及表面處理工藝研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著Si基MOS器件逐漸接近其物理極限，以InGaAs，GaAs為代表的高遷移率的III-V族化合物半導(dǎo)體受到極大的關(guān)注。然而，一種材料的體遷移率高并不嚴(yán)格意味著這種材料用作MOSFET的襯底時(shí)溝道反型層載流子遷移率就高。因此，建立InGaAs nMOSFETs溝道反型層電子遷移率模型，對(duì)散射機(jī)制進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)的影響進(jìn)行討論是十分必要的。另一方面，由GaAs表面本族氧化物導(dǎo)致的高k柵介質(zhì)與GaAs之間界面質(zhì)量差的問(wèn)

2、題也亟待解決。本文主要就上述兩個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行工作。
　　理論方面，首先通過(guò)考慮體散射、界面電荷的Coulomb散射以及Al2O3/InxGa1-xAs界面粗糙散射三種主要散射機(jī)制，建立了Al2O3/InxGa1-xAs nMOSFETs的半經(jīng)驗(yàn)電子遷移率模型。模擬分析表明，溝道有效電場(chǎng)較弱時(shí)，溝道反型層電子遷移率取決于界面電荷的Coulomb散射，而強(qiáng)場(chǎng)下，主要取決于界面粗糙散射。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了遠(yuǎn)程Coulomb散射以

3、及遠(yuǎn)程界面粗糙散射對(duì)堆棧高 k柵介質(zhì)InGaAs nMOSFETs反型溝道載流子遷移率的影響。仿真結(jié)果顯示，隨著界面粗糙度增加，電子遷移率減小，并且當(dāng)相關(guān)長(zhǎng)度接近熱德布羅意波長(zhǎng)時(shí)，遠(yuǎn)程界面粗糙散射最強(qiáng)烈，μrcs隨著高k柵介質(zhì)層的介電常數(shù)增加而增加，μrirs減小，而鈍化層介電常數(shù)對(duì)這兩者的影響剛好相反;較厚的鈍化層和高k柵介質(zhì)層有利于提高μrirs和μrcs，但為了得到小的EOT，需減小它們的厚度，因此要折衷考慮。
　　實(shí)驗(yàn)方面

4、，研究了使用不同氣體如NH3、N2對(duì)GaAs表面進(jìn)行等離子體處理對(duì)LaYON/GaAs、LaON/GaAs MOS器件電特性的影響。結(jié)果表明，使用NH3等離子體處理的方法能夠有效抑制GaAs表面本族氧化物的生成，減小界面態(tài)，明顯改善器件電特性；而對(duì)比LaYON與LaON不同高k柵介質(zhì)發(fā)現(xiàn)，LaYON作為高k柵介質(zhì)可以減小界面態(tài)密度，改善LaYON/GaAs界面特性及器件電特性。在此基礎(chǔ)上，以GaAs/LaYON/LaON堆棧柵介質(zhì)GaA

5、s MOS器件為對(duì)象，比較研究了NH3等離子體處理GaAs表面，或LaYON表面，或LaON表面對(duì)器件界面質(zhì)量和電特性的影響。結(jié)果表明，在LaYON鈍化層淀積后再進(jìn)行NH3表面預(yù)處理的樣品具有良好的C-V 特性、較小的柵極漏電流(7.1×10-4A/cm-2@Vfb+1V)以及較低的界面態(tài)密度(禁帶中間附近為3.10×1012 eV-1cm-2)。分析其機(jī)理在于，對(duì)LaYON表面進(jìn)行NH3等離子體處理能夠有效減少GaAs表面的