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高K/金属栅短沟道SOI NMOSFET研究

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摘要

1 前言

1.1 研究背景及意义

1.2 高k栅介质和金属栅电极概述

1.2.1 采用高k栅介质必要性

1.2.2 高k栅介质选用要求

1.2.3 高k栅介质研究进展

1.2.4 采用金属栅电极必要性

1.2.5 金属栅电极选用要求

1.2.6高k/金属栅研究进展

1.3 本文的主要工作

1.4 小结

2 器件结构及工作原理

2.1 短沟道下传统栅极结构存在的问题

2.2 高k/金属栅SOI NMOSFET器件结构及工作原理

2.3 小结

3 TaCN/La2O3栅极结构短沟道SOI NMOSFET仿真及性能分析

3.1 仿真软件及物理模型

3.2 短沟道下传统栅结构与TaCN/La2O3栅结构电学性能比较

3.3 短沟道下TaCN/La2O3栅结构SOI NMOSFET电容特性分析

3.4 小结

4 Ti+TaCN/La2O3栅结构短沟道SOI NMOSFET仿真及性能分析

4.1 Ti+TaCN/La2O3短沟道SOI NMOSFET电学仿真及性能分析

4.2 小结

5 结论

致谢

参考文献

附录:在校期间发表的论文

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摘要

短沟道MOSFET的SiO2栅介质暴露出栅极泄漏电流过大等严重问题,需要高k材料来代替传统SiO2,但是由于多晶硅栅电极与高k材料结合会出现如费米能级钉扎等现象,需要采用金属栅电极替代多晶硅栅电极。
   本文首先对短沟道下的TaCN/La2O3 SOI NMOSFET进行了系统性研究,通过与传统Polysilicon/SiO2栅极结构SOINMOSFET的电学特性对比,发现采用TaCN/La2O3栅极结构后,明显改善了SOINMOSFET在短沟道下的工作性能,栅极泄漏电流得到明显的减小,抑制短沟道效应的能力变强,关断特性好优势,在此基础上对栅极结构进行了优化,引入了异质栅(DMG)结构,即栅电极由TaCN一种材料变成了TaCN和Ti两种功函数不同的材料,通过对短沟道下Ti+TaCN/La2O3 SOI NMOSFET的输出特性、阈值电压特性、阈值电压漂移特性、亚阈值斜率特性、DIBL等特性的研究,指出了随着沟道长度的减小,Ti+TaCN/La2O3 SOI NMOSFET相对于TaCN/La2O3 SOI NMOSFET不但能够减小热电子效应、提高短沟道下的输出电流、降低关态功耗,而且还能够更加有利的抑制短沟道效应和漏致势垒降低效应。
   本文的栅介质材料采用稀土氧化物La2O3,栅电极材料采用TaCN和Ti,器件仿真工具为SILVACO-ATLAS。

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