高k柵介質(zhì)MOS器件模型和制備工藝研究.pdf

1、隨著金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件尺寸的縮小，柵極漏電急劇增加，導(dǎo)致器件不能正常工作。為了降低超薄柵介質(zhì)MOS器件的柵極漏電，需采用高介電常數(shù)（高k）柵介質(zhì)代替SiO2。鉿（Hf）系氧化物和氮氧化物由于具有高的k值，好的熱穩(wěn)定性，成為當(dāng)前高k柵介質(zhì)的研究熱點(diǎn)。理論方面，現(xiàn)有高k柵介質(zhì)MOS器件隧穿電流解析模型主要用于1V以上的區(qū)域，擬合參數(shù)較多；實(shí)驗(yàn)方面，Hf系氧化物的預(yù)處理工藝研究較少；HfTi氧化物和氮氧化物研究主要集中于HfTiO

2、材料、Ti的含量、材料的微結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)于HfTiO等和Si接觸的界面特性研究較少。針對(duì)這些問題，本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面開展了研究工作，具體內(nèi)容分為三部分：隧穿電流模型研究，Hf和HfTi氧化物和氮氧化物高k柵介質(zhì)MOS器件制備和電特性研究，以及高k柵介質(zhì)MOSFET閾值電壓模型和亞閾特性研究。 對(duì)于隧穿電流模型研究，主要采用了兩種方法：自洽解方法和解析方法。采用自洽解方法對(duì)超薄柵介質(zhì)MOS器件各子帶的能級(jí)、Si表面電荷面密度和

3、隧穿電流進(jìn)行了計(jì)算和仿真，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。同時(shí)也仿真了隧穿電流隨襯底摻雜濃度和氧化層厚度的變化，發(fā)現(xiàn)低偏置時(shí)隧穿電流隨襯底摻雜濃度增加而減小；高偏置時(shí)，摻雜濃度對(duì)隧穿電流影響很??；而隧穿電流與柵介質(zhì)厚度關(guān)系極大。隧穿電流解析模型分為耗盡/反型狀態(tài)和積累狀態(tài)隧穿電流模型：（1）在表面勢(shì)解析模型基礎(chǔ)上，通過將多子帶等效為單子帶，建立了一個(gè)擬合參數(shù)少的高k柵介質(zhì)MOS器件在耗盡/反型狀態(tài)下的隧穿電流解析模型，模擬結(jié)果與自洽解結(jié)果，

4、Si3N4、HfO2作為柵介質(zhì)以及HfO2/SiO2疊層?xùn)沤橘|(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合較好，計(jì)算時(shí)間較自洽解方法大大縮短，模型具有一定特色。（2）建立了高k柵介質(zhì)MOS器件在積累狀態(tài)的隧穿電流模型。采用此模型模擬了SiO2、HfSiON介質(zhì)和疊層介質(zhì)MOS器件的隧穿電流，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。針對(duì)MOS存儲(chǔ)器，首次設(shè)計(jì)了一個(gè)具有U型氮分布和類SiO2/Si界面的三層高k柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)——HfON/HfO2/HfSiON結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能形成好的介

5、質(zhì)/Si界面，減小柵極漏電，同時(shí)解決硼擴(kuò)散到溝道區(qū)的問題。應(yīng)用積累狀態(tài)隧穿電流模型對(duì)三層高k介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。合理選擇三層介質(zhì)中每一層介質(zhì)的厚度可以有效抑制柵極漏電。當(dāng)總的等效氧化物厚度（EOT）為2 nm時(shí)，0.3-nm HfON, 0.5-nm HfO2和1.2-nm HfSiON結(jié)構(gòu)是一個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)研究方面，（1）采用反應(yīng)直流磁控濺射方法制作了不同表面預(yù)處理和不同淀積后退火處理（PDA）的HfO2柵介質(zhì)MOS

6、電容。在HfO2柵介質(zhì)MOS電容制備過程中，首次采用O2 + TCE表面預(yù)處理工藝。對(duì)柵極漏電流和應(yīng)力致漏電（SILC）的測(cè)量分析表明，采用O2 + TCE表面預(yù)處理工藝可以顯著減小界面態(tài)密度和氧化物陷阱密度，從而有效減小柵極漏電及應(yīng)力致漏電的增加。（2）采用不同工藝方法制備了HfTiON柵介質(zhì)MOS電容，研究了器件的電特性和可靠性。首先，共反應(yīng)濺射方法制備了HfTiO柵介質(zhì)薄膜，然后在NO、N2O和NH3氣體氛圍600 0C退火2 m

7、in。電特性研究表明NO退火形成了具有HfTiSiON界面層的HfTiON介質(zhì)，該介質(zhì)的界面態(tài)和體電荷較低，器件可靠性好。其次，在N2/Ar氣氛中，Hf和Ti靶共反應(yīng)濺射淀積的柵介質(zhì)薄膜HfTiN在不同氣氛650 0C退火2分鐘。對(duì)HfTiON柵介質(zhì)MOS器件電性能的研究表明，N2O退火工藝能制備出界面態(tài)和體電荷密度低、器件可靠性高的HfTiON柵介質(zhì)MOS器件。其中，在N2/Ar氣氛中濺射淀積柵介質(zhì)薄膜HfTiN，然后在N2O中退火是

8、有潛力的超薄柵介質(zhì)制備工藝。 研究了高k柵介質(zhì)MOSFET的閾值電壓和亞閾特性：（1）采用PISCES-II模擬器對(duì)高k柵介質(zhì)MOSFET的閾值電壓和亞閾特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，為了使器件的閾值電壓和亞閾特性不隨高k柵介質(zhì)的使用而惡化，k值不應(yīng)大于50，柵介質(zhì)厚度/溝長(zhǎng)比（tox/L）應(yīng)小于0.2；（2）建立了考慮量子效應(yīng)和短溝道效應(yīng)的高k柵介質(zhì)MOSFET閾值電壓模型，模擬結(jié)果表明，隨k值增加，量子修正的短溝道閾值電壓模