论文部分内容阅读
随着超高速信息化时代对MOS器件性能需求的不断提高，Si基MOSFET的持续小型化变得越来越困难，已经逐步逼近其物理极限。而相较Si而言，Ge材料具有更高的空穴和电子迁移率，特别是空穴迁移率，使其成为极具研究意义的衬底材料。然而，将高k栅介质/衬底的结构方案直接从Si基上移植到Ge上却遇到极大的阻碍，即高k栅介质层与Ge表面的界面质量问题。本文主要围绕La系氮氧化物作界面层，Gd掺杂Hf基氮氧化物作高k层的HfGdON/LaTaON/Ge堆叠结构GeMOS器件的界面特性和电学特性开展研究，并探究NH3等离子体处理栅介质的钝化作用及其对器件性能的改善；其次，从理论方面构建了考虑界面陷阱电荷影响的堆叠高k栅介质结构GepMOSFET的阈值电压模型，并与实验结果进行比较。
实验方面，以LaTaON作为界面层、HfGdON作为高k层，制备GeMOS器件，研究了不同Gd含量掺杂HfON对GeMOS界面特性以及电学特性的影响。结果表明，HfON薄膜中掺入含量适当的Gd元素(如13.16%)，能够有效抑制Ge衬底界面的锗酸盐HfGeOx及亚氧化物GeOx的形成，并减少薄膜中的氧空位，增加栅介质的导带偏移(ΔEc)，因此器件具有更小的栅极漏电流密度(2.29×10-6A/cm2@Vg=Vfb+1V)和更低的界面态密度(6.93×1011cm?2eV?1)。
在上述研究基础上，利用NH3等离子体处理HfGdON/LaTaON/Ge堆叠栅介质的不同表面，研究其对堆叠栅介质薄膜及Ge表面的钝化效果。实验结果表明，NH3等离子体直接对Ge表面进行处理可以形成GeOxNy钝化层，更多N的结合可以有效抑制堆叠栅介质薄膜中氧空位的形成并减少Ge界面附近不稳定亚氧化物GeOx的生成；且从NH3等离子体中分离的H原子及NH基团可以钝化Ge表面的悬挂键。由此制备的GeMOS电容呈现出优良的电学性能和界面特性，如高的等效k值(22.3)、低的界面态密度(3.84×1011cm?2eV?1)等。
理论方面，考虑界面钝化层与Ge沟道及高k栅介质层之间陷阱电荷的影响，通过二维泊松方程建立阈值电压的物理模型，模拟结果与实验数据呈现出较好的一致性。模拟分析发现，降低界面陷阱电荷密度可以减小阈值电压漂移；介电常数高、物理厚度薄的界面钝化层可以减小界面陷阱电荷对器件阈值电压的影响；对于不同沟长的器件，为抑制短沟效应，应选取合适的掺杂浓度，如对于L=50-60nm，Nb=5×1017cm-3掺杂浓度较为合适。
实验方面，以LaTaON作为界面层、HfGdON作为高k层，制备GeMOS器件，研究了不同Gd含量掺杂HfON对GeMOS界面特性以及电学特性的影响。结果表明，HfON薄膜中掺入含量适当的Gd元素(如13.16%)，能够有效抑制Ge衬底界面的锗酸盐HfGeOx及亚氧化物GeOx的形成，并减少薄膜中的氧空位，增加栅介质的导带偏移(ΔEc)，因此器件具有更小的栅极漏电流密度(2.29×10-6A/cm2@Vg=Vfb+1V)和更低的界面态密度(6.93×1011cm?2eV?1)。
在上述研究基础上，利用NH3等离子体处理HfGdON/LaTaON/Ge堆叠栅介质的不同表面，研究其对堆叠栅介质薄膜及Ge表面的钝化效果。实验结果表明，NH3等离子体直接对Ge表面进行处理可以形成GeOxNy钝化层，更多N的结合可以有效抑制堆叠栅介质薄膜中氧空位的形成并减少Ge界面附近不稳定亚氧化物GeOx的生成；且从NH3等离子体中分离的H原子及NH基团可以钝化Ge表面的悬挂键。由此制备的GeMOS电容呈现出优良的电学性能和界面特性，如高的等效k值(22.3)、低的界面态密度(3.84×1011cm?2eV?1)等。
理论方面，考虑界面钝化层与Ge沟道及高k栅介质层之间陷阱电荷的影响，通过二维泊松方程建立阈值电压的物理模型，模拟结果与实验数据呈现出较好的一致性。模拟分析发现，降低界面陷阱电荷密度可以减小阈值电压漂移；介电常数高、物理厚度薄的界面钝化层可以减小界面陷阱电荷对器件阈值电压的影响；对于不同沟长的器件，为抑制短沟效应，应选取合适的掺杂浓度，如对于L=50-60nm，Nb=5×1017cm-3掺杂浓度较为合适。