（微电子学与固体电子学专业论文）小尺寸mosfet阈值电压模型及高k栅介质制备.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路集成密度的不断增加，m o s f e t 的特征尺寸越来越小，器件结构参 数的选取逐渐逼近其物理极限，进一步缩小m o s f e t 面临一系列的困难和挑战，尤 其是精确的器件建模和模拟以及m o s f e t 栅介质的选取和制各及其与衬底的界面特 性。 本课题主要研究了量子效应对m o s f e t 特性的影响。采用三角阱近似的迭代方 法求解泊松方程和薛定谔方程的自洽解，分析了沟道电荷的量子化效应，提出了考虑 量子效应时不同于经典理论的阈值条件，得出了精确的一维阈值电压模型，模拟结果 与实验十分吻合。在此基础上，基于二维泊松方程，通过考虑短沟道效应和量子效应， 建立了较为精确的小尺寸m o s f e t 的量子修正阈值电压模型，模型适用于小尺寸高k 栅介质m o s f e t 电特性的模拟和结构参数的设计，由此提出了七值的最佳范围。 研究了高栅介质m o s f e t 器件的制备工艺。在溅射淀积h f 0 2 栅介质之前，采用 n o 、n 2 0 、0 2 + c h c c l 3 ( t c e ) 进行表面预处理，研究了各种预处理对界面态密度、栅 电极漏电流和界面层厚度等特性的影响，并对样品进行应力实验。实验结果表明，采 用新颖的t c e + 少量0 2 的表面处理工艺是一种有前途的高栅介质氧化层制备方法。 关键词：m o s f e t 闽值电压高耐册介质量子效应表面预处理 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef e a t u r ed i m e n s i o no fm o s f e ti s s i g n i f i c a n t l ys c a l e dd o w nb e c a u s eo ft h e c o n t i n u o u s i n c r e a s i n go fi ci n t e g r a t i o nd e n s i t y a sar e s u l t ，s o m ed e v i c es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa p p r o a c ht ot h e i rp h y s i c a ll i m i t sg r a d u a l l y t h en l r t h e rs c a l i n go fm o s f e t f a c e sas e r i e so f c h a l l e n g e sa n dd i f f i c u l t i e s ，e s p e c i a l l yi nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s ，c h o i c ea n dp r e p a r a t i o no fg a t ed i e l e c t r i ca n di t si n t e r f a c ep r o p e r t i e sw i t h s u b s t r a t e t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so ni m p a c t so fq u a n t u me f f e c to ne l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f m o s f e t t h eq u a n t i z a t i o no fc h a n n e lc h a r g e si s a n a l y z e db ym e a n so ft r i a n g l e w e l l a p p r o x i m a t i o nn u m e r i c a ls o l u t i o no ft h es c h r f d i n g e r sa n dp o i s s o n se q u a t i o n s ，t h e na t h r e s h o l dc o n d i t i o nd i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i c a lo n ei sp r o p o s e df o rm o s f e tw i t hq u a n t u m e f f e c t s ，a n d t h u sa na c c u r a t e1 - d t h r e s h o l d v o l t a g em o d e li so b t a i n e d , w i t hg o o d a g r e e m e n t sb e t w e e ns i m u l a t e dr e s u l t sa n dm e a s u r e m e n td a t a b a s e do nt 1 1 i s1 - dm o d e l a n a c c u r a t e2 - dq u a n t u m m o d i f i e dt h r e s h o l d v o l t a g em o d e lf o rs m a l l s c a l e dm o s f e ti s d e v e l o p e db ys o l v i n gt h eq u a s i 一2 dp o i s s o n se q u a t i o na n dt a k i n gs h o r t - c h a n n e le f f e c t sa n d q u a n t u me f f e c ti n t oc o n s i d e r a t i o n t h em o d e lc a na l s ob eu s e df o rs i m u l a t i o no fe l e c t r i c a l p r o p e r t i e s a n dd e s i g no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sf o rv e r y d e e p - s u b m i c r o nm o s f e tw i t h h i 曲- km a t e r i a l sa sg a t ed i e l e c t r i c a n e w t y p ep r o c e s s i n go fh i g h kd i e l e c t r i cg a t em o s f e td e v i c ei ss t u d i e d t h e e f f e c t so fv a r i o u sp r e d e p o s i t i o ns u r f a c et r e a t m e n t ss u c ha sn o a n n e a l e d ，n 2 0 a n n e a l e d a n d0 2 + t r i c h l o r o e t h y l e n e ( t c e ) o nt h ei n t e r f a c e sp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so f a l la b o v em e t h o d sa r ec o m p a r e da n dt h ec o m p a c to fp r e a n n e a l i n go i lt h ed e n s i t i e so f i n t e r f a c ea n dg a t el e a k a g ec t l r r e n t sa n do x i d et h i c k n e s sa r es t u d i e d k e y w o r d s ：m o s f e tt h r e s h o l dv o l t a g eh i g h - kg a t ed i e l e c t r i cq u a n t u me f f e c t s u r f a c ep r e t r e a t m e n t s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：垮靶济 加0 6 年啦月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：鹰狍诲 指导教师签名： 。6 年铲月尹日( 舢6 年q 月牛日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c m o s 集成电路的发展历程 1 9 3 0 年l i l i e n f e l d 0 j 首次提出了金属一氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 的概 念、工作原理以及具体的实施方案，但由于当时材料和工艺水平的限制，直到3 0 年 后的1 9 6 0 年，才由k a h n g 和a t t a l a l 2 1 研制出第一个利用硅半导体材料和热氧化生长的 二氧化硅膜作栅绝缘介质的m o s f e t 。与此同时，1 9 5 8 年，德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 的j a c kk i l b e y 发明了第一块硅基集成电路口1 。随着对s i s i 0 2 界面特性和平面集成电 路工艺的大量深入研究，到了七十年代m o s 集成电路得到飞速发展。 在早期的m o s 技术中，主要是铝栅p 沟m o s f e t ，到了六十年代的后期多晶硅 取代铝成为m o s f e t 的栅电极材料。七十年代中期，利用l o c o s 隔离的n m o s 集 成电路开始商品化 4 】。虽然早在1 9 6 3 年就已提出了c m o s2 1 2 艺，并研制成功了c m o s 集成电路，但由于工艺技术的限制，直到八十年代c m o s 才迅速成为超大规模集成电 路l s l ) 电路的主流技术【5 】。由于c m o s 电路具有低功耗、易集成、可缩小、集成密 度高等特点，c m o s 技术始终是硅微电子技术的主流，如今己发展到甚大规模( u l s i ) 时代。其应用己渗透到人类生活的方方面面，成为信息技术的基础。 集成电路的发展始终是朝着提高速度和提高集成度这两个重要的方向发展，集成 度的提高使电子系统的成本降低、性能改善、可靠性提高，成为集成电路飞速发展的 动力源泉。1 9 6 5 年i n t e l 公司的创始人之一的g o r d o ne m o o r e 预言每隔三年集成电路 的集成度增加4 倍，特征尺寸缩小2 倍【6 】。之后虽然有人多次预测这种发展趋势将减 缓，但是微电子产业3 0 多年来发展的状况证实了m o o r e 的预言。目前，己进入超深 亚微米( v d s m ，v e r yd e e ps u b m i c r o n ，0 2 5 微米以下) 时代，以o 2 5 微米、0 1 8 微米、 o 1 5 微米和o 1 3 微米c m o s 工艺技术为主流的微电子技术己进入大生产，其每片上 集成的晶体管数在1 0 量级。而且据预测在今后的二十年内，这种发展趋势仍将不会 减缓，这是其他任何产业都无法与之比拟的。 华中科技大学硕士学位论文 m o s f e t 器件尺寸的不断缩小是集成电路得以按指数发展的关键因素，一方面 m o s f e t 的器件性能随尺寸的缩小而提高，另一方面器件尺寸的缩小可使集成度以平 方率增加。因此通常采用m o s f e t 的特征尺寸来描述集成电路技术的发展水平。在 特征尺寸不断按比例缩小的过程中存在着许多挑战，包括不断涌现的新的物理效应以 及尺寸减小对制备工艺带来新的难题。 1 2 小尺寸m o s f e t 面临的挑战 1 2 1 小尺寸m o s f e t 中的新物理效应 随着c m o s 器件特征尺度的不断缩小，沟道长度减小，栅氧化层减薄等结构上的 改变到一定程度后出现了一系列物理效应。 1 影响阂值电压的短沟效应 沟道长度减小到一定程度后，源、漏结的耗尽区在整个沟道中所占的比重增大， 栅下面的硅表面形成反型层所需的电荷量减小，因而阈值电压减小。 p 一村嫩h 。c l v 图l 一1 栅控电荷示意图 如图1 - 1 ，通常计算器件闽值电压时，假定栅电场引起的耗尽区为矩形，忽略了 源、漏区附近由于源衬、漏衬p n 结自建电场引起的电荷，而实际上，栅压引起的沟 道耗尽区与源衬、漏衬p n 结引起的耗尽区是重叠在一起的，因此有效栅控电荷函 将小于用于通常计算的体电荷q 一，当沟道长度缩小时，栅控电荷减少7 ( q 6 - q 61 ， 华中科技大学硕士学位论文 从而导致闽值电压降低。并且，沟长越小，阈值电压越低，以致于短沟道器件的阈值 电压对沟长非常敏感。 2 超薄栅氧化层的问题 为抑制短沟效应，获得好的器件特性，要求栅对沟道电荷的控制能力应远远大 于漏对沟道电荷的控制能力，于是希望栅氧化层厚度随沟道长度的缩小而同时缩 小。如对于o 1 8 微米的c m o s 工艺，在1 8 v 的电源电压下工作时，栅氧化层厚度约 为3 r i m 【7 j ，这一厚度大约相当于1 0 层硅原子。由于直接隧穿，能够引起栅泄漏电流随 栅氧化层厚度的下降而指数上升。研究表明，在栅压1 5 v 的条件下，当栅氧化层的 厚度由3 6 埃下降到1 5 埃时，栅电流密度约增加了十个数量级【8 l 。 虽然由于驱动电流与沟道长度成反比而隧穿电流与沟道长度成正比，仅从对小 尺寸m o s f e t 本身的性能看隧穿电流不一定严重影响器件的i v 特性，但对于整个集 成电路来说，隧穿电流的增加使关态泄漏电流增加，从而导致集成电路关态功耗的增 加。据估算，采用纯s i 0 2 的栅介质可接受的最小厚度在1 5 r i m 9 1 左右。 对于超薄栅介质的问题，可能的解决办法主要来自以下三方面： 1 )m o s f e t 的栅介质厚度不再随沟道长度的缩小而减薄，因此对于短沟效 应的抑制只能依靠降低硅耗尽层宽度，即提高衬底掺杂浓度或采用特殊的 掺杂，如h a l o 掺杂来实现。但高的衬底掺杂浓度随之会带来严重的体效 应和体泄漏电流以及带间隧穿电流等问题。 2 )改变m o s f e t 器件的结构。通过双栅结构增加栅的控制能力，可望进一 步缩小器件而不必减薄栅介质层，但随之带来了工艺的复杂性。 3 )采用高介电常数的新型栅介质材料即通常所说的高k 栅介质代替介电常 数为3 9 的s i 0 2 ，可以在保持等效厚度不变的条件下，增加绝缘层的物理 厚度，因而可大大减小直接隧穿效应和栅介质层上承受的电场强度。这其 中包含着材料和工艺研究，是目前的热门研究课题，本文也将就高k 栅介 质m o s f e t 的工艺作一定研究。 3 量子效应 由于c m o s 在按比例缩小过程中，电源电压没有和器件尺寸相同的比例减小，使 华中科技大学硕士学位论文 得器件内部的电场增强。尤其是当m o s 晶体管沟道长度缩小到o 1 微米以下时，电 场将变得更强。例如当电源电压为1 v ，t o x 为2d i l l 时栅氧化层中的电场强度可接近 5 m v c m ，而硅中的电场强度也会超过1m v c m 。反型层量子化使反型层中的电荷不 能再被近似看成为在s i s i 0 2 界面的一薄层，而是在反型层中呈一定的分布，其分布 的峰值通常在界面以下约1 0 埃，并出现能级分裂。这使得等效的栅氧化层电容减小， 相当于等效的栅氧化层厚度比实际的增加了3 4 埃，减弱了栅压对沟道电荷的控制能 力 加l 。研究表明，当电场大于1 0 5 v c m 后，反型层量子化对阂值电压的影响不可忽略， 当电场等于1 0 6v c m 时，反型层量子化可使阈值电压增加约o 2v ，从而使阈值电压 的控制更加困难【1 ”。本论文将对这部分做重点分析，并建立相应的阈值电压物理模型。 4 影响器件寿命的热载流子效应 器件尺寸进入深亚微米沟长范围，器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强， 特别在漏结附近存在强电场，载流子在这一强电场中获得较高的能量，平均速度达到饱 和，瞬时速度不断增大，成为热载流子。热载流子在两个方面影响器件性能： 1 ) 越过s v s i 0 2 势垒，注入到氧化层中，不断积累，改变阂值电压，影响器件寿命，漏附近 的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对n m o s 管，碰撞产生的电子形成附加 的漏电流，空穴则被衬底收集，形成衬底电流，使总电流成为饱和漏电流与衬底电流 之和。衬底电流越大，说明沟道中发生的碰撞次数越多，相应的热载流子效应越 严重。而且，如果载流子获得足够高的能量，它们也有可能注入到栅氧中，甚至 流出栅极，产生栅电流。 2 ) 热载流子效应是限制器件最高工作电压的基本因素之一。 5 多晶硅耗尽效应 在长沟器件中，m o s f e t 多晶硅栅的作用近似的与金属电极的作用相同。但是实 际上，当在m o s f e t 的栅上加一定的栅压后，在重掺杂多晶硅中的多晶硅和二氧化 硅界面附近形成一薄层耗尽层，当栅氧化层较厚时，多晶硅耗尽薄层的影响可以忽略。 但是随着m o s f e t 特征尺寸的减小，栅介质层不断减薄，当栅氧化层厚度小于1 0m n 后，多t 硅耗尽层的影响无法忽略，必须考虑这一耗尽层对器件阈值电压和i v 特性 4 华中科技大学硕士学位论文 带来的影响，这就是所谓的多晶硅耗尽效应。 1 2 2m o s f e t 尺寸缩小对工艺的挑战 要使c m o sk 能继续遵循摩尔定律，必须通过不断缩小尺寸增加单个芯片上的 功能。而且为保证电路性能的改善，器件的纵向尺寸也要和横向尺寸一起按比例缩小， 必须开发新的工艺技术来制备高集成度的芯片，包括光刻技术、氧化扩散工艺和高k 栅介质制备工艺等。这对于设备供应商和工艺线上的工程师提出了挑战。 1 光刻技术 光学光刻技术通过不断缩短光源的波长和提高透镜的数值孔径，使分辨率不断提 高。目前采用的带有场扫描的1 9 3 n m 波长的步进光刻机，可以保证实现1 3 0 n m 的特 征尺寸 幢】。如果进一步采用分辨率增强技术，如移相掩模或表面成像光刻胶等，还可 以使光学光刻的极限进一步向前推进。不过，要实现1 0 0 n m 以下的特征尺寸，必须发 展新一代光刻技术。对下一代光刻技术目前有不同看法，甚远紫外线( e u v ) 、x 射线、 电子束和离子束，都是下一代光刻的候选技术。e u v 和x 射线光刻仍然需要掩模， 电子束和离子束则可以实现对芯片“直写”。很多半导体公司已经致力于研究高效率、 低成本、适于大批量生产，能实现1 0 0 n m 以下特征尺寸的新一代光刻技术和设备。 2 氧化、扩散工艺 过去采用的批处理高温氧化、扩散工艺将逐步减少。对一些要求较深扩散区或较 厚氧化层的工序还将采用小批量高温处理，这样有利于降低成本。由于源漏区结深也 随着沟道长度一起缩小，为了实现浅结和精确的沟道掺杂剖面的控制，单片加工的离 子注人工艺已经逐步取代了批量处理的扩散工艺。先进的c m o si c 已采用浅的沟槽 隔离代替厚的场氧隔离，这将进步减少高温处理过程。为了改善器件性能，超深亚微 米c m o s 将采用很多新的器件结构，如薄膜全耗尽s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t i o n ) 、提升 的源漏区结构等等。这些新的器件结构都不需要厚的氧化层和深的扩散区。原来长时 间的批量的高温工艺将被淘汰，转而采用单片多区加热( m u l t i z o n e 1 a m p ) f 拘快速热处 理。这不仅减少了高温过程对电路性能的影响，而且有利于保证大硅片上器件性能的 均匀性。一些新的二 ：艺如离子掺杂、气体浸没( g a s i m m e r s i o n ) 激光掺杂以及淀积 华中科技大学硕士学位论文 源漏区等，也正在崭露头角，有可能成为今后的发展方向。 3 高k 栅介质制各技术 随着器件尺寸的进一步缩小，为保证栅对沟道有很好的控制，必须降低栅氧化层 的厚度，但是如果仍然采用s i 0 2 作为绝缘层，就会带来显著的直接隧穿效应，导致器 件静态功耗的增加，这是微电子技术进一步发展的限制型因素之一。克服这种限制的 有效方法之一是采用高介电常数的新型绝缘介质材料。目前所研究的高k 栅介质材料 有很多，但究竟选择哪种材料尚无定论，寻找性能更好的栅氧化层材料并通过工艺降 低薄膜体和界面的缺陷态密度及泄漏电流是当前研究的热点，也是本课题的一个重要 内容。 栅氧化层材料必须满足以下几个基本条件：高介电常数；与s i 有好的热稳定性： 始终是非晶态；大的带隙和高的势垒高度；低缺陷态密度和固定电荷密度。基于这些 条件，h i d 2 、a 1 2 0 3 、z r 0 2 等氧化物成为目前研究的热点。 高k 栅介质材料的制备，常用的方法有溅射法，化学气相沉积法，脉冲激光沉积 法等。现分述如下： 溅射法可分为磁控溅射和离子束溅射，其优点是可以用较低的成本制各工业应用 的大面积超薄的薄膜，制膜不仅可使用陶瓷靶材，也可在氧气氛中使用金属或合金的 靶材。此法的缺点是由于在溅射过程中各组元的挥发性差别很大，膜的成分和靶的成 分有较大的偏差，而且偏差的大小随工艺条件而定，这使工艺的摸索和稳定较为困难。 为了避免这个问题，反应溅射的方法开始广泛运用，即靶和膜的成分并不相同，利用 靶与气体的反应生成所需要的膜。例如在本论文的实验中，采用纯h f 作为金属靶， 利用h f 与0 2 的反应制备h f 0 2 栅介质，这样更容易控制膜的成分。 化学气相沉积法( c v d ) 又可分为原子层化学气相沉积( a l c v d ) ；f t l 金属有机物化 学气相沉积法( m o c v d ) 等，后者的用途最为广泛。其特点是在材料进行化学反应合 成的同时成膜。m o c v d 方法可以制备面积较大结构致密，结晶性能良好的薄膜包括 外延单晶膜。此方法的缺点是对于很多氧化物材料适用的具有高饱和蒸汽压的金属有 机物难以合成。 华中科技大学硕士学位论文 脉冲激光沉积法( p l d ) 是一种正在迅速发展的成膜技术，它利用经过聚焦而具有 很高能流密度的紫外脉冲激光照射靶材，产生激光等离子体，最终在衬底上沉积成膜。 此方法的最大优点是膜的成分和靶的成分很接近，因为易于获得成分可严格控制的 膜，其缺点是膜表面常有细微液滴凝固形成的颗粒状突起而使表面质量不理想，也不 易于制各大面积的薄膜。 尽管存在困难和挑战，但不容置疑，微电子技术将继续发展，并时时用令人惊奇 的创新的解决方案迎接对它的各种挑战。 1 3 小尺寸m o s f e t 的发展趋势 随着微电子技术的迅速发展，器件特征尺寸的不断缩小，0 2 5 微米、0 1 8 微米、 o 1 5 微米和o 1 3 微米已开始进入大生产的条件。相应的u l s i 已逐渐发展为s o c ( s y s t e m o n c h i p ) ，而且据预测 1 ，到2 0 1 4 年特征尺寸将达到2 8 n m ，表1 1 示出了i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r , 2 0 0 5 版) 对未来半导体发展的预 测。目前小尺寸乃至亚l o o n m 器件的结构、制备、模型和模拟是半导体行业的研究热 点，具体的领域包括：器件模型、模拟和仿真软件；新型器件结构；高k 栅介质材料 和新型栅结构；超深亚微米光刻技术；低k 介质和c u 互连以及集成技术掣1 4 。19 1 。 表1 - 1i t r s 对未来半导体技术发展的预测( 2 0 0 5 版) 年份2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 42 0 1 72 0 2 0 d r a m 半径距( n m ) 8 07 06 55 75 14 54 02 82 01 4 a s i c 栅长( n m ) 9 07 86 8 5 9 5 24 5 4 02 82 01 4 m p u 栅长( a m ) 5 44 84 23 83 43 02 71 91 39 存储器引入阶段产品代8 g 8 g1 6 g 1 6 g1 6 g3 2 g3 2 g6 4 g1 2 8 g2 5 6 g m p u 芯片功能数3 8 63 8 63 8 67 7 37 7 37 7 31 5 4 63 0 9 26 1 8 41 2 3 6 8 ( 百万晶体管) m p u 引入阶段芯片面积1 1 1 8 81 4 0 1 1 l8 81 4 01 1 l 1 1 l1 1 l 1 1 1 ( m m 2 ) 辞片直径( m m ) 3 0 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 04 5 04 5 04 5 0 华中科技大学硕士学位论文 器件是构造s o c 的基本单元，s o c 的实现必须有高性能、低功耗的器件作保证。 在超深亚微米这一尺度下，器件物理、器件结构与工艺以及器件的模型和模拟方面都 出现了很多问题，这些问题的解决是u l s i 进一步发展的基础。 1 4 本论文的主要工作 由于小尺寸m o s 器件的使用会出现前述各种困难和挑战，本文的研究工作将围 绕小尺寸s im o s 场效应晶体管的阈值电压模型建立和新型高_ j 栅介质m o s f e t 工艺 研究展开，主要有以下几个方面的内容： 1 ) 采用三角阱近似求解的方法迭代求解泊松方程和薛定谔方程分析量子化反型 沟道的载流子分布情况，得出各个物理量之问的关系。 2 ) 建立同时考虑量子效应、短沟道效应和多晶硅耗尽效应的小尺寸m o s f e t 闽 值电压模型，并将其运用于高k 栅介质m o s 器件，综合考虑漏电流和阈值 电压得出t 的最佳范围。 3 ) 实验研究高七栅介质的制各工艺。采用新型t c e 表面预处理方法制备了高k 栅m o s 电容，并与n o 、n 2 0 预处理样品和控制样品做比较，结果表明，采 用新颖的t c e 预处理制备方法能够显著改善界面特性。 4 ) 采用l a b v i e w 软件编写h p 4 2 8 4 a 的控制程序，实现了仪器到计算机的数据 传输和处理。 本文的创新之处在于： 1 ) 同时考虑量子效应和短沟道效应提出了新的开启条件，并建立了精确的 小尺寸高k 栅介质m o s f e t 闽值电压解析模型。 2 ) 采用新颖的t c e + 少量0 2 表面预处理方法制备高k 栅介质，获得了界面 特性大大改善的m o s 电容器。 本论文为国家自然科学基金：低漏电高性能纳米级叠层氮化高k 栅介质m o s f e t 研究( 6 0 3 7 6 0 1 9 ) 和湖北省自然科学基金( 2 0 0 3 a b a 0 8 7 ) 资助项目。 华中科技大学硕士学位论文 2 小尺寸m o s f e t 反型沟道量子化效应 随着m o s f e t 的不断缩小，为保证栅对沟道电荷的控制能力应远大于漏对沟道 电荷的控制能力，抑制短沟效应，通常希望栅氧化层厚度t o x 随沟道长度的缩小而减 小。同时m o s f e t 的缩小还要求衬底掺杂浓度不断增加，这些变化将使垂直于s i s i 0 2 界面方向的电场增强，s i 中界面附近的势阱加深，沟道反型层中的载流子被约束在表 面很窄的势阱中，载流子沿垂直于表面方向的运动是量子化的。研究表明，这一现象 已开始影响室温下深亚微米m o s f e t 的特性，尤其是m o s f e t 的阈值电压 2 0 1 。 为此，本章将采用三角阱近似的简化模型对量子化效应对m o s f e t 沟道中电荷 分布的影响进行较为系统的研究，分析沟道载流子的量子化分布情况。 2 1m o s 结构中强反型层的形成 图2 - 1m o s 晶体管的三维结构图 m o s f e t 器件的m o s 栅结构由p 型或n 型硅衬底和覆盖在上面的氧化物绝缘层 构成，如图2 - 1 所示。如果衬底的带电情况良好，该结构类似于平行板电容器，其。 l 华中科技大学硕士学位论文 栅为一个电极，硅体为另外一个电极，s i 0 2 为绝缘层。这样可以利用平行板电容器的 公式得出栅极与硅表面之间的单位栅面积上的氧化层电容： c o x = 6 一o e o _ _ _ z _ x j o x ( 2 - 1 ) s0 是真空介电常数，s o x 是s i o z 的介电常数，t o x 是氧化层厚度。当施加由负 不断增大的的栅电压时，半导体表面将出现空穴积累、空穴耗尽及反型三种状态。在 正栅压下存在沟道反型层的能带结构如图2 2 所示。可以看到，当栅电压大到能带的 弯曲使表面费米能级高于本征费米能级蜀，这意味着表面处的电子浓度将超过空穴浓 度，即形成与原来半导体衬底导电性之相反的一层，即反型层。 - o2 图2 - 2 反型层量子化能带图 对于m o s f e t 来说，反型层非常重要，晶体管大多工作于强反型状态下。在半 导体物理中推导出发生强反型的条件如下 4 ： 杰2 # f ( 2 - 2 ) 即： 杰型1 n ( 马 q啊 ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式中西s 是沟道表面电势，町是硅的费米势，k o ，t ，q ，l i l t 分别是玻尔兹曼 常数、热力学温度和电子电量和载流子本征浓度帆，6 为衬底掺杂浓度。 华中科技大学硕士学位论文 通过求解维治松方程，半导体表面的电场由下式确定： b = 等恬剖n p o ， 其中： 瓦q 丁s ，跏n p o ，2 唧c 一净+ 等一， + 等 唧唔，一器一- 旷c z 固 且p p o ，n p 。分别代表p 型半导体内平衡时的空穴和电子浓度。 厶为德拜长度： ，f 2 f ，。岛吖2 锄l 百j ( 2 6 ) 表面电荷密度口： g = 一e “e s ( 2 7 ) 其中船为s i 的介电常数e 一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值 x d e p ，不再随着外加电压的增加而增加。这是因为反型层中积累的电子屏蔽了外电场 的作用。耗尽层宽度极大值为： = l i 骨4 , i 2 = l i - 篑h f f n w b1 1 p 。， 上式表明，x d e p 由半导体材料的性质和掺杂浓度来确定。 因为栅压= 蟊+ + ，而氧化层电容上电荷与电压的关系为： 2 毒 可以得到一个关于表面电势的方程 杰+ 等+ = 。 ( 2 9 ) ( 2 - 10 ) 因为存氏 o 的时候，g 取负值，而且在反型的时候，对j 二( 2 5 ) 大括号内可以近 华中科技大学硕士学位论文 似f l p o 卜秽q f k s 一纠： 炉簪阱咯可q ( k s - l ，2 所以( 2 1 0 ) 式化为： 杰+一警饼印分纠 l 2 6 0 x e o ( 2 1 1 ) + 一= 0( 2 - 1 2 ) 由以上诸式，可以得到反型时表面势与栅压、载流子浓度之间的关系，反型层载 流子的分布情况就可以从中得出。 2 2 沟道反型层量子化效应 2 2 1 量子效应机理分析 在m o s 器件中，强反型条件下，在s i 0 2 s i 界面附近存在能带弯曲，反型层载流 子被限制在硅衬底表面的很窄的势阱中，载流子在垂直于表面方向的运动能量是量子 化的，由于这种量子化是因为电子活动空间减小所引起，常常称为尺寸量子化。 由于反型层中的载流子被限制在硅衬底表面很窄的势阱中，载流子在垂直表面方 向的运动受到限制，因此反型载流子不能像体内的载流子那样在三维空间自由运动， 可以用二维电子气描述反型层中的电子状态。对于m o s f e t 中二维电子气行为已经 进行了很多研究【2 1 25 1 ，早期的奠基工作是在六十年代末至七十年代初由s t e m 等人自 洽求解一维薛定谔方程和泊松方程，并把沟道中的载流子处理为二维电子气。同时也 发展了一些三角阱近似求解、三子带等的方法 2 1 , 2 5 - 2 8 ，还提出了一些简单的解析模型 2 9 - 3 4 1 以对经典的m o s f e t 模型进行修正，如v a l l d o r t 模型口9 ，3 2 1 和混合模型等。 二维电子气中电子在垂直方向的运动是量子化的，电子的能量只能取一些分立的 值e ，但是电子在平行于表面的两个方向仍可以自由运动，因此，与每个分立的能量 华中科技大学硕士学位论文 厩相对应形成一个子带，如图2 2 所示。 在( 1 0 0 ) 硅中，导带的最低能级有6 个椭球等能面沿着布里渊区( i o o ) 方向分布，通 常成为能谷，如图2 - 3 所示。这六个椭球等能面由一个二度简并的能谷( 1 0 w e r ) 和一个 四度简并能谷( 1 l i g h e r ) 组成。对于( 1 0 0 ) 硅衬底中的电子，在这些能谷中的有效质量如 表2 1 所示： 表2 - 1 硅导带能谷中各能级参数取值 面 能谷fl o w e r h i g h e r 简并度 gn ， 24 纵向有效质量 m 3 o 9 1 60 1 9 0 珊f 0 1 9 0o 1 9 0 横向有效质量 m 2 0 1 9 00 9 1 6 态密度有效质量 m a = ( m ，m 2 ) 1 也 o 1 9 00 4 1 7 为了分析量子化效应，采用二维电子气模型求解反型层沟道载流子的分布情况。 图2 - 3 ( 1 0 0 ) 硅的6 个导带能谷 2 2 2 二维电子气模型 采用有效质量近似，规定垂直于界面的方向为z ，则描述电子运动的波动方程为 一嘉( 导+ 等+ 鲁 + ， m ，= 髟c x ， c z 书， 其中，m 为有效质量，壳为归一化的普朗克常量，f ( x ) 代表真实的波函数包络。 华中科技大学硕士学位论文 小难看出，u ( z ) 为努能分布，满足万程的坡函数具有以f 形式： 厂( x ) = ( 0 ) “2 9 蚰+ 5 2 ( 2 1 4 ) l x ，与是电子在，z ，y 方向的活动空间的尺度，z 向波函数孝( z ) 应满足： 鹏( z ) j 2 d z = 1 于是，( 2 - 1 3 ) 式可以分解为以下两个方程： 一互h 扒2 ( 缸a 2 i + 剖躲，y ) = 置川 ( 2 _ 1 5 ) 怯2 m 。旦& 2 删k 秣 弛峋 总能量可以表示为： 肚弓母岛+ 筹 岛为和量子态岛( z ) 对应的量子化能值，即第i 能谷第，子4 巾o - 口y 午仳z 月z , n 8 级。方程 ( 2 1 3 ) 能通过分立变量法，化为方程( 2 1 5 ) 和( 2 - 1 6 ) ，这表明电子沿z 方向和沿 ，力平 面的运动是完全独立的。对应于各可能的毛值，形成一系列色散关系完全相同的二维 子带：邑：掣( 2 - 1 8 ) z m 。 具有相同的二维色散关系，意味着各子带具有相同的自由运动性质包括相同的动 量有效质量和加速度有效质量。 二维电子气的单位面积单位能量间隔的量子态数如下表示： 哪) - 2 9 。两1 2 石差 ( 2 - 1 9 ) 上式乘以因子2 代表白旋简并。将( 2 1 7 ) 代入( 2 1 9 ) ，得到 d ( e ) = 丽g v m d ( 2 - 2 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中毋表示每个能谷的简并度。 根据费米分布函数，每一个子带上电子分布按照下面的公式计算 2f d ( e f ) f ( e ) d e e 厂( 司表示费米分布函数，即： 厂( 五) = 南 】+ g 弋r 将( 2 2 0 ) 和( 2 - 2 2 ) 代入( 2 2 1 ) 式，得到： n q = 等l 娴d e 弘肛j 专k 班张冲簪o h 6 “1 + p 7 “0 1 于是得到： = 学岬螂簪) 如果以s i 导带底为参考点，可以得到母与西。关系，即母 所示，其中墨为s i 禁带宽度，取1 1 2 e v 。 ( 2 - 2 1 ) 陀一2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 _ 2 4 ) ( 2 2 5 ) s - e 9 2 一吩如图2 - 2 2 2 3 三角阱近似迭代求解反型层载流子分布 在采用均匀掺杂的衬底结构中，常在s i s i 0 2 界面附近的半导体表面处形成抛物线 型势阱，如图2 - 4 中的实线所示，在本文中，将该势阱近似为三角势阱。 | u ( z ) 图2 4 三角阱近似示意图 z 华中科技大学硕士学位论文 如图2 - 4 中的虚线所示。如果采用后退( 逆向) 掺杂的工艺中，则表面的势阱形 状理论上是严格的三角形势垒。在s i s i 0 2 界面，s i 0 2 一侧的势垒高度可达3 1 5 e v ， 因此近似为无限高，因此取s i s i 0 2 界面处为z = 0 ，沿半导体表面垂直方向的势能函 数如下： 叱) = 麓； 蒙 对于量子阱中的量子化能级，相应波函数满足驻波边界条件。在这种情况下，薛 定谔方程的解是a i r ) ，函数，用a f 表示a i r y 函数： 磊( z ) = 4 ( ( 2 ，嘞h 2 ) “3 口一( 岛g e 盯) ) ( 2 - 2 7 ) 本征能级& 满足下式的 岛= “b 钠习1 2 3 芦忍， e ，为表面有效电场强度，和该模型相对应的波函数为a i r y 函数。 整个耗尽层载流子分为反型电荷和耗尽电荷两种，分别为a _ ，和却，式( 2 - 2 8 ) 中 表面电场即可由这两个参数计算： e ，：! ! 生竖! ( 2 - 2 9 ) 止巧2 一 n。=。ng(2-30) 平均反型层厚度： 科。瓦v q z u 也器 ( 2 - 3 1 ) 耗尽层能带弯曲由下式表示： 寸等一警 ( 2 _ 3 2 ) 从而，可求得耗尽层载流子浓度： 一一 华中科技大学硕士学位论文 n 却= 、匠五瓦忑( 2 - 3 3 ) 采用迭代法联立求解方程( 2 2 8 ) 一( 2 - 3 3 ) ，仅计算能级最低的四个子带，可得到反 型电荷、耗尽电荷、栅电压与表面势的关系，求解方法如图2 - 5 所示。 2 3 模拟结果及分析 图2 5 三角阱近似的数值迭代方法计算流程 通过上节的计算方法可以全面地求解反型层载流子的特性，文中为了体现量子化 效应的影响，对载流子的分布情况以及表面势等物理量分别做了经典情况和量子效应 情况的比较。 图2 - 6 所示为各个子带上电子浓度占总浓度的百分比，本文仅计算了最低四个子 带，从图中可以看出，随着电场的增大，最低子带，上的电子浓度，几乎接近于总 浓度，占有率趋近于i ，这说明采用最低的四个子带来简化计算是合理的。 华中科技大学硕士学位论文 瓣 扭 上 图2 6 最低四个子带上电子浓度占总浓度的百分比 图2 7 示出了硅表面能级西随栅压变化的情况。从图2 7 可见，在栅氧化层厚度 为3n i - n 的m o s f e t 中，当掺杂浓度为1 0 1 7 e m o ，栅压为3 v 时，最低的能级在导带 底以上3 7 2m v ，而它与其上的第二子带的能量差为3 4 7m v 。和方量子阱中的情形类 似，势阱的尺寸越小即约束越严重，能级分离的越大。而且由图2 7 可见，栅压越大， 这种子带的分离越显著。通常栅氧化层为3 n m 的m o s f e t 相应地沟道长度在0 1 微 米左右，相应地衬底掺杂浓度在1 0 ”c m - 3 _ 1 0 1 8 c m 4 ，因此在分析小尺寸m o s f e t 时反 型层电荷量子化效应的影响将不可忽略。 图2 7 由表面量子化效应引起的子带分离与栅压的关系 华中科技大学硕士学位论文 图2 8 示出了迭代求解得到的电子浓度在反型层中的分布，作为比较，图中还示 出了经典情况下按照2 1 节所述只求解泊松方程得到的电子浓度分布。由图2 8 可见， 由于表面反型层量子化效应的影响，使得反型层中电子分布出现了明显的变化：和经 典情况相比，反型层量子化效应使电子浓度的峰值不再分布在表面而是向体内推进 了，而且分布也有所展宽；对于m o s f e t 中的反型层电荷，在经典情况下通常近似 为分布在表面的一个电荷薄层，但是由于反型层量子化效应，该近似不再适用，反型 层电荷分布离开了表面，而且具有一定的分布。 飞 。 刨 瑾 限 留 图2 - 8 经典和量子情况下m o s f e t 反型层中电子浓度的分布 图2 - 9 示出了量子和经典模型时，表面电势与栅压的关系。图2 1 0 是量子和经典 模型时反型层电荷密度随栅压的变化情况。从图中可以看出，在积累和强反型区，不 同模型的结果存在明显的差别，由于表面势阱的约束，反型层中的电子能级分离，相 应的态密度由三维变为二维，反型层电荷的密度降低，表面势增加。而且栅氧化层厚 度越薄，衬底掺杂浓度越高，表面电场的约束越强，这种变化越显著。由此可见，量 子效应对m o s 结构的影响之一可归结为沟道中的电荷分布变化，而这种