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【6h】

高k栅介质Ge MOS界面层材料、结构及钝化工艺研究

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 高k栅介质Ge MOS器件的优势

1.3 高k栅介质Ge MOS器件所面临的挑战

1.4 高k栅介质Ge MOS器件研究现状

1.5 高k栅介质pMOSFET阈值电压研究进展

1.6 本文主要工作及内容安排

第二章 高k栅介质Ge MOS器件制备工艺及特性表征

2.1 MOS器件制备工艺

2.2 薄膜性能表征

2.3 MOS 器件电学特性表征

2.4 本章小结

第三章 不同界面钝化层对HfTiON/Ge MOS界面及电特性影响的研究

3.1 引言

3.2 HfTiON/GGO/Ge MOS器件

3.3 HfTiON/TaYON/Ge MOS器件

3.4 HfTiON/ZrLaON/Ge MOS器件

3.5 三种界面钝化层样品的性能比较

3.6 本章小结

第四章 双界面钝化层高k栅介质Ge MOS界面及电性能研究

4.1 引言

4.2 HfLaON/(NbON/Si)/Ge MOS器件

4.3 HfTiON/(LaON/Si)/Ge MOS器件

4.4 多层ZrON/TaON栅介质Ge MOS器件

4.5 本章小结

第五章 Ge pMOSFET 阈值电压模型

5.1 有钝化层的Ge pMOSFET 阈值电压模型

5.2 深亚微米高k栅介质Ge pMOSFET阈值电压模型

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文的主要工作与成果

6.2 论文工作的创新点及特色

6.3 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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摘要

随着CMOS器件特征尺寸缩小到10nm工艺节点,Si基MOSFET已接近其物理极限。由于Ge的高空穴迁移率、III-V族材料的高电子迁移率,将高性能的Ge-pMOSFET与III-V族n-MOSFET集成在一起制备CMOS倒相器,成为“后摩尔时代”获得高性能CMOS集成电路的重要途径之一。然而,与SiO2/Si系统相比,Ge表面缺乏高质量的本族氧化物。为了获得高质量的高k栅介质Ge MOS器件,一个重要挑战是Ge衬底与高k栅介质间的界面钝化,这是下一代高性能CMOS器件的关键。然而,钝化层的引入将会引起阈值电压的变化,从而对器件性能带来影响。本文即围绕高k栅介质Ge MOS器件界面钝化层材料、结构及钝化工艺开展了深入系统的实验研究;并从理论上分析了影响阈值电压变化的各种因素,由此建立了堆栈高k栅介质Ge pMOSFET阈值电压模型。
  实验方面,首先分别以GGON、TaYON和ZrLaON作为界面层,以HfTiON作为高k层,并对它们进行F等离子体钝化处理,在Ge衬底上制备了Al/HfTiON/界面层/Ge MOS电容。对三种不同界面钝化层样品的电特性测量表明,MOS器件的界面质量均得到改善,获得了低的界面态密度Dit、低的栅极漏电和高的器件可靠性,其中,以TaYON为界面层的Al/HfTiON/TaYON/Ge MOS器件呈现出最好的界面特性(带隙中间附近界面态密度~2.5×1011cm-2eV-1)、最低的栅极漏电流密度(2.47×10-5Acm-2@Vg=Vfb+1V)、最小的电容等效厚度(1.14nm)和高的k值(24.9)。
  在上述研究基础上,基于Si钝化的良好效果,设计了NbON/Si和LaON/Si双钝化层结构,并以HfTiON或HfLaON为高k栅介质,制备了经过F等离子体钝化处理的HfLaON/(NbON/Si)/Ge MOS和HfTiON/(LaON/Si)/Ge MOS。另外,采用交替溅射方法制备了ZrON/TaON多层复合栅介质Ge MOS电容。结果表明,三种界面钝化层结构和制备方法,均可有效抑制界面低k氧化物GeOx的形成,显著减少了高k/Ge界面及其附近相关缺陷,从而获得了优良的界面特性、低的栅极漏电、小的CET、高的等效k值和器件可靠性。三种钝化方法相比,ZrON/TaON多层复合栅介质的综合性能更好,显示出在Ge MOS器件制备方面的更大优势。
  理论上,通过求解泊松方程,综合考虑短沟道效应(SCE)和漏致势垒降低效应(DIBL),建立了有钝化层的Ge沟道pMOSFET阈值电压模型。详细分析了器件结构和物理参数,包括沟道长度、界面钝化层厚度、栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度、漏源电压等对阈值电压的影响。在此基础上,进一步考虑量子效应,对阈值电压模型进行了修正,使模拟结果与实验数据能很好地符合。利用此模型,讨论分析了器件结构和工艺参数对阈值电压的影响,获得了小尺寸Ge pMOSFET主要参数合理的取值范围,模型适宜于器件模拟和设计。

著录项

  • 作者

    黄勇;

  • 作者单位

    华中科技大学;

  • 授予单位 华中科技大学;
  • 学科 微电子学与固体电子学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 徐静平;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TN304.05;
  • 关键词

    界面层材料; 钝化工艺; 阈值电压; 高k栅介质;

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