文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
高k栅介质Ge-MOS器件电特性模拟及制备工艺研究
姓名:陈娟娟
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:徐静平
20090525
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着集成电路技术的发展,晶体管的特征尺寸已经减小到 45nm 以下,栅氧化层
的物理厚度小于 2nm,导致栅极漏电流增大,采用高 k 材料取代二氧化硅是一种抑制
栅极漏电流增大的有效手段。但是,高 k 材料作为栅介质时,会导致器件沟道迁移率
的退化。因此,高沟道迁移率材料锗成为最有可能替代硅的 MOS 器件沟道材料之一。
目前,高 k 栅介质/ Ge-MOS 器件结构、制备工艺和电特性已经成为学术界和工业界
的研究热点。
本文采用业界广泛使用的Synopsys 公司模拟软件MEDICI 对高k 栅介质
Ge-MOSFET的电特性进行了研究。通过考虑短沟道效应,着重分析了栅介质介电常
数、氧化物固定电荷密度以及沟道长度等对器件阈值电压和亚阈斜率的影响,通过对
阈值电压(Vth)、亚阈值斜率(S)等进行分析,确定出适用于薄栅Ge-MOSFET的最
佳k值,为以后的器件设计提供理论指导。同时,通过求解高k栅介质耗尽区与栅绝缘
层区域的泊松方程,得到叠层高k栅介质阈值电压模型。该模型考虑了界面层对Vth的
影响,仿真结果表明界面层有利于改善器件的阈值特性。
实验方面,采用高真空电子束蒸发技术,在Ge衬底上淀积La2O3高k介质薄膜制备
了La2O3介质/ Ge-MOS电容。通过不同衬底温度时栅介质薄膜淀积工艺研究,确定出
合适的衬底温度。研究了O2、 NO、 NH3 和N2 不同气体退火对MOS电容电特性的
影响,发现La2O3在N2气氛中退火后由于形成稳定的LaGeOx界面层而有效地降低了Qox
和Dit,同时获得较高的栅介质介电常数。
采用磁控溅射技术,在Ge衬底上分别淀积了La2O3和LaON介质层薄膜,制备了
La2O3和LaON介质/ Ge-MOS电容。电特性研究表明,与La2O3 / 介质Ge-MOS相比,
LaON介质/ Ge-MOS有更低的界面态密度、低的氧化层电荷密度和低的栅极漏电流。
而且,LaON介质层更高的等效k值,有利于减小等效氧化物厚度(EOT)。通过对电
子束蒸发和磁控溅射制备的La2O3 / Ge-MOS电容电特性的研究,发现磁控溅射方法制
I
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备的器件有更好的界面特性和栅极漏电特性。

关键词:锗-MOS 高 k 栅介质阈值电压氧化镧氮氧化镧淀积退火

II
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Abstract
With the aggressive reduction of characteristic length of MOSFET and the continuous
improvement of integrated circuits, the characteristic length of transistor has been reduced to
less than 45nm. And the physical thickness of gate is less than 2nm. It leads to a larger gate
leakage current. Consequently, it is necessary to replace the conventional gate insulator,
SiO2, with a high-k material for low power consumption. As application of the high-k
materials as gate dielectric, problem of mobility degeneration occurs. It’s necessary to use
high mobility channel material Ge to replace Si. At present, the device structure, fabrication
process and electrical characteristics of high k / Ge-MOS device have already e the
research focus of industry and academe.
A series of electrical characteristics of Ge-MOSFET are ana