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金属栅/高K栅介质层/Ge MOS电容研究

李全立

  随着MOS器件尺寸的缩小,进一步提高器件工作性能面临诸多挑战。许多新技术被开发出来用以克服这些挑战,例如为降低栅极漏电流需用高κ栅介质代替传统的Si02栅介质;为解决引入高κ栅介质后导致的多晶硅费米能级钉扎、沟道载流子迁移率降低等问题需用金属栅代替传统的多晶硅栅;用Ge、GaAs等代替传统的Si衬底提高沟道载流子的迁移率;采用多栅结构增强栅极对沟道的控制能力等等。本文在Ge衬底上利用金属栅/高K技术,对分别采用TiN、Al、TiN/Al/TiN栅极的HfO2/GeON/p-Ge电容结构进行了研究,得到以下结果: (1)建立模型,对测量获得的C-V/G-V曲线及电导法表征界面态的结果进行寄生效应修正。MOS电容测量时,连线和样品衬底上的寄生电阻、探针或探针台与样品接触造成的寄生电容等因素,导致直接测量的结果往往不能反映样品本身的真实信息。本论文建立了修正寄生电阻、电容效应的模型,并把这种修正方法应用到电导法对界面态的表征中。 (2)研究了退火条件对TiN/HfO2/GeON/p-Ge电容的影响。研究发现采用超薄GeON界面层并结合400℃/3min N2氛围退火是一种有效的钝化p-Ge界面态并降低栅介质中陷阱缺陷的方法。退火过程中,Hf02栅介质中多余间隙氧原子向GeON层中的扩散有利于钝化Ge衬底界面态并减小GeON中的氧空位缺陷,从而获得较理想的C-V曲线簇和C-V回滞特性。 (3)探索了不同金属栅材料对Hf02/GeON/p-Ge电容的功函数调制效果。研究发现低功函数的活泼金属Al不适合直接用在HfO2/GeON/p-Ge结构上来调制栅极的功函数:350℃/10min N2氛围的退火后,相对于TiN电极,Al电极样品的界面态钝化效果较差且栅介质缺陷情况恶化。SIMS测试显示,Al原子在退火后向栅介质方向扩散,同时衬底中Ge原子大量扩散进入栅介质层和Al电极,而TiN电极样品在同样条件退火后衬底Ge原子向栅介质中的扩散量较小。研究指出适当条件退火后TiN/Al/TiN电极相对于TiN电极,在不影响HfO2/GeON/p-Ge电容特性的同时可有效降低栅极功函数:400℃/3min N2氛围退火后,TiN/Al/TiN电极相对TiN电极可降低栅极功函数约0.18eV,但更长时间的退火处理并不能更有效的继续降低栅极功函数。……   
[关键词]:Ge;钝化层;金属栅;高K材料;TiN;Al;GeON;HfO_2;C-V回滞;界面态;功函数
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:复旦大学2012年
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