（微电子学与固体电子学专业论文）高k叠栅结构与finfet器件的电特性研究.pdf

( 摘要 r l l l l lj l r r lj h l l lr l l j l ljip i l l lj l l l lj l l h j i l 0 y 18 6 7 4 0 0 摘要 集成电路工艺的不断发展使得器件的特征尺寸接近电子的德布罗意波长，量 子效应变得十分明显。电子的直接隧穿效应将导致栅介质的泄漏电流急剧增大， 栅氧化层的可靠性问题日益突出，栅介质层的厚度成为限制纳米器件特性的主要 因素。为了提高栅的控制能力，必须减小栅介质层的等效厚度，研发新型的器件 结构。 论文对高k 介质材料与s i 的热稳定性、带隙和与带边间的势垒高度、界面特 性进行了论述，并以此确定高介电常数栅介质材料的选择。用原子层淀积( a l d ) 设备制备了高k 介质材料舢2 0 3 和h f 0 2 薄膜。并对a 1 2 0 3 和h f 0 2 薄膜分别做了 退火实验，研究表明由于氧化层中的电荷及界面态的存在会对材料的电学特性产 生重要的影响，热退火可以有效地降低界面态和介质层电荷。 对m i s 结构中的电容电压( c v ) 特性及栅氧电荷与界面电荷对c v 特性的影 响进行了探讨。用i s e t c a d 仿真工具对h 幻2 s i 0 2 叠栅m o s 器件的电特性进 行仿真分析，得出h f 0 2 s i o ：z 叠栅结构特性优于h 胁作为栅介质材料的结论。研 究了h f o t j s i o ：2 叠栅结构中的栅漏电流机制，经实验证明h f o j s i 0 2 叠栅能够有效 地抑制直接隧穿电流。在h f 0 2 , s i 0 2 叠栅m i s 结构漏电流中，f - n 隧穿和s c h o t t k y 发射是主要的输运机制。 研究了新型器件结构s o 【高k 叠栅f i n f e t 的电特性。对s o i 高k 叠栅 f i n f e t 转移特性曲线、输出特性曲线进行仿真分析，并完成高k 栅介质氧化层中 陷阱电荷对h f 0 2 4 s i 0 2 叠栅f i n f e t 阈值电压漂移影响的建模。研究表明s o i h 幻2 s i 0 2 叠栅f i n f e t 结构既具有s o i 器件纵向电场减小，迁移率高，寄生电容 小，功耗低、集成度高的特点，又具有f i n f e t 结构双栅控制的优势，可以有效 抑制器件的短沟道效应。同时h f 0 2 , s i 0 2 叠栅的应用不仅增加了氧化层的物理厚 度，更有效地降低了氧化层与硅膜之间的界面陷阱密度。由此证明s o ih f 0 2 s i o ：z 叠栅f i n f e t 结构是非常有发展潜力的一种新型器件结构。 关键词：高k 介质m i s 电容h f 0 2 s i 0 2 叠栅漏电流s o if i n f e t a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hc o n t i n u a ls c a l i n go fi c s ，t h ef e a t u r es i z eo fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e si s a p p r o a c h i n gt od eb r o g l i ew a v e l e n g t ha n dt h eq u a n t u me f f e c tc a nn o tb ei g n o r e d d i r e c tt u n n e l i n g ( d t ) e f f e c td o m i n a t e st h ei n c r e a s i n gg a t ed i e l e c t r i cl e a k a g ec u r r e n t i no r d e rt oi m p r o v et h eg a t e c o n t r o la b i l i t ya n de n h a n c er e l i a b i l i t y , t h er e d u c t i o ni n t h i c k n e s so fg a t ed i e l e c t r i ca n dt h er e s e a r c hi nn e ws t n l c t u l e sd e v i c ea r en e c e s s a r y t h et h e r m a ls t a b i l i t y 丽t hs i l i c o n ，e n e r g yb a n d g a pa n dt h eb a r r i e rh e i g h ta r e e x p o u n d e di nt h i st h e s i s ，i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hb a n de d g ei nh i 曲- km a t e r i a l s ， w h i c hd e t e r m i n et h ec h o i c eo ft h eh i 曲- kg a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a l s h i g hd i e l e c t r i c m a t e r i a l sa 1 2 0 3a n dh f 0 2f i l ma l em a n u f a c t u r e db ya t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( a l d ) m e t h o da n dt h e na n n e a l i n ge x p e r i m e n t sa r em a d eo nt h e mr e s p e c t i v e l y r e s e a r c h e s s h o wt h a tt h ec h a r g e si ng a t ed i e l e c t r i ca n dt h ei n t e r f a c i a ls t a t ea f f e c tt h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c si n c r e d i b l ya n da n n e a l i n gc a ne n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fh i g h km a t e r i a l s t h ec a p a c i t a n c e - v o l t a g e ( c v ) c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee f f e c t so ft h eo x i d ec h a r g e s a n di n t e r r a c i a lc h a r g e sa r es t u d i e di nt h i sw o r k s i m u l a t i o na n da n a l y s i sh a v eb e e n d o n ei nt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh f 0 2 s i 0 2s t a c k e dg a t es t r u c t u r e ，l e a d i n gt ot h e c o n c l u s i o nt h a th f 0 2 s i 0 2s t a c k e dg a t es u u c t u r ea d v a n c e so v e rh f 0 2g a t ed i e l e c t r i c t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h e g a t el e a k a g e c u r r e n ti nm o sd e v i c e sw i 也 h f 0 2 s i 0 2s t a c k e dg a t es t r u c t u r ei n d i c a t et h a tt h i sg a t es u u c t u r ec o u l dr e s t r a i nt h ed t e f f e c t i v e l y f - nt u n n e l i n ga n ds c h o t t k ye m i s s i o na r et h em a i nm e c h a n i s m s t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i e so ff i n f e tg r o w no ns 0 1w i t hh i g l l ks t a c k e dg a t e s t r u c t u r eh a v e b e e nr e s e a r c h e d h e r ei s e t c a dlo 0w a su s e dt os i m u l a t et h et r a n s f e r a n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s t h ee f f e c to ft h et r a p p e dc h a r g e si nh i g h - kh f 0 2 s i 0 2 s t a c k e dg a t ed i e l e c t r i ci nt h r e s h o l dv o l t a g eo ff i n f e th a sb e e nr e p r e s e n t e db y e s t a b l i s h i n gaa n a l y t i c a lm o d e l t h i sn e ws t r u c t u r ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs o l a n df i n f e t t h ea p p l i c a t i o no fh f 0 2 s i o zs t a c k e dg a t ed i e l e c t r i cd o e s n to n l yi n c r e a s e t h eg a t eo x i d el a y e rt h i c k n e s s ，b u ta l s or e d u c e st h ei n t e r r a c i a lt r a pd e n s i t yb e t w e e n o x i d el a y e ra n ds i l i c o nc h a n n e ll a y e r i nc o n c l u s i o n ，t h ef i n f e tg r o w no ns 0 1 、i 也 h i g h - ks t a c k e dg a t es t r u c t u r ei sa n e wd e v i c es t r u c t u r ew i t hg r e a tp o t e n t i a l k e y w o r d s ：h i g h - kd i e l e c t r i c m i sc a p a c i t a n c e h f 0 2 s i 0 2s t a c k e dg a t e l e a k a g ec u r r e n t s 0 1f i n f e t 目录 目录 第一章绪论1 1 1 微电子器件的发展l 1 2 器件发展的主要限制因素一2 1 2 1 等比例缩小原则2 1 2 2 栅氧化层的可靠性问题5 1 3 本文的主要研究工作与内容安排8 第二章高k 栅介质材料的选择与制备l l 2 1 高k 栅介质的优越性1 l 2 2 高k 栅介质材料的选择1 2 2 3 高k 薄膜制备工艺1 4 2 3 1a l d 淀积a 1 2 0 3 和h 幻2 薄膜流程1 5 2 3 2 退火对高k 栅介质薄膜特性的影响18 2 4 本章小结2 0 第三章h 幻2 s i 0 2 叠栅结构的特性分析2 l 3 1i s e t c a d 仿真工具简介2 1 3 2 理想m i s 结构c v 特性分析2 3 3 2 1m o s 电容理想c - v 特性2 3 3 2 2 栅氧电荷与界面电荷对c v 特性的影响2 6 3 3 理想h 幻2 s i 0 2 叠栅m o s 器件特性仿真2 9 3 4h f 0 2 s i 0 2 叠栅泄漏电流机制研究3 2 3 4 1 叠栅结构对直接隧穿栅电流的抑制作用一3 3 3 4 2f - n 隧穿电流对器件的影响一3 4 3 4 3 叠栅漏电流机制研究一3 5 3 5 本章小结3 9 第四章s o i 高k 叠栅f i l l f e t 器件的电特性研究4 l 4 1s o i 技术特点4 l 4 1 1s o i 制备技术4 l 4 1 2s o i 技术优势一4 3 4 2f i n f e t 的基本理论一4 4 4 2 1f 砌? e t 制作流程及优势4 4 4 2 2 双栅s o im o s f e t 等比例缩小理论4 5 4 6 5l 5 3 5 5 5 7 6 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微电子器件的发展 1 9 4 7 年1 2 月，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组研 制出一种点接触的锗晶体管，于是影响人类文明进程的晶体管就此诞生。1 9 6 5 年， 英特尔( i n t e l ) 创始人之一戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 在e l e c t r o n i c sm a g a z i n e 上 发表了影响世界的经典言论，即摩尔定律。他指出，集成电路上可容纳的晶体管 数目，约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时，每一美 元所能买到的电脑性能，将每隔1 8 个月翻两倍以上。图1 1 给出了芯片上晶体管 数目的摩尔定律示意图，这一定律揭示了信息技术进步的速度。 图1 1 摩尔定律示意图 从第一个晶体管的诞生到现在几十年来，集成电路的发展一直遵循摩尔定 律。器件特征尺寸的不断减小，制作工艺精度的不断提高使得集成电路集成度和 硅片面积不断增加，集成电路系统的性能不断提高。同时，集成电路的性价比也 迅速提高。i c 芯片的特征尺寸从1 9 7 8 年的1 0 9 m 发展到现在的4 5 n m t 啦】乃至 3 2 n m ，集成度从1 9 7 1 年的1 kd r a m 发展到现在的2 9 2 gd r a m ：硅片的直径 尺寸也不短增加，现在2 0 0 m m 硅片已成为主流产品，正在向3 0 0 m m 发展，到2 0 1 3 年，预计将采用直径4 5 0 m m ( 1 8 英寸) 硅片。图1 2 给出了c m o s 技术节点和 栅长的缩小趋势。集成电路功能上指数增长的驱动力是与之相关的器件物理与材 料、生产工艺与设备、工艺控制、电路布局布线软件、电路仿真工具等方面技术 -奄i芒9童曼o 2 高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 的稳步进步，特别是金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s ) 与互补场效应晶体管 ( c m o s ) 器件的发展成为影响i c 设计的主要因素。m o s 晶体管可以做的非常小， 并且数字逻辑与存储功能可以仅由m o s f e t 器件组成的电路实现，这也正是目前 的超大规模集成电路( v l s i ) 为什么要用c m o s 的原因。目前很多人认为，当微电 子技术的特征尺寸在2 0 1 4 年从2 0 h m 向1 8 r i m 进军时，半导体的工艺技术将达到 芯片制造的极限【3 1 。集成电路是否会继续遵循摩尔定律的规律向前发展，今后的 发展方向是什么等问题已成为人们关注的焦点。 1 0 0 - 宴 。 善o 1 0 k d 董 3 0 0 m v ) 。 另一方面，界面态密度在带隙中的分布也是影响器件性能的重要因素t 2 0 1 。在 t i 0 2 s i 中，禁带中央的晃面态为3 xl l y o c m - 2 。随着电势的变化界面态密度迅速增 加，使得在m o s f e t 的正常工作电压范围内迁移率仍然退化严重，载流子在 t i 0 2 s i 中的迁移率只是s i 0 2 s i 中迁移率的一半。因此，单纯禁带的低界面态密 度还不足以保证m o s f e t 器件正常工作的整个电压范围内的迁移率不退化。 综上所述，高k 栅介质材料的选择需要综合考虑如下因素： 1 ) 采用介电常数高的材料能够有效增加栅介质层的物理厚度，从而降低栅泄 漏电流；但是如果分电常数过高，则会引入高k 栅介质的边缘效应。通常选择介 电常数在2 0 - 3 0 之间的材料； 2 1 选择与硅具有良好的热力学稳定性的高k 栅介质材料，以此减小或者避免 界面层的形成，从而减小栅介质的等效氧化层厚度： 3 ) 高k 栅分质材料应具有禁带宽度大，与s i 的导带和价带间有大的带边偏 置( 即具有高的势垒高度) 等特点，从而降低栅泄漏电流； 4 1 选择的高k 介质材料应与s i 具有好的界面兼容性，以获得低的界面态密 度和固定电荷密度。 在综合考虑了各种因素后，目前已经将高k 栅介质材料研究主要集中在h f 基高k 材料方面，如h f 0 2 、h f s i o n 等【2 1 1 。 2 3 高k 薄膜制备工艺 目前研究的很多高允电常数栅介质通常以多晶或单晶形式存在。如表2 1 所 示，对所有感兴趣的替代介质( a 1 2 0 3 除外) ，在淀积过程或在淀积后的热处理过 程中都会形成多晶薄膜。多晶栅介质由于存在晶粒晶界，往往会形成漏电流的通 道使得器件的漏电流增大。除此之外，多晶薄膜的晶粒大小和晶向重复性较差， 这将会引起介电常数k 值的巨大变化，导致器件稳定性降低。在实际应用中，希 望高介电常数材料在整个工艺处理中都能保持无定形( 非晶) 态。 第二章高k 栅介质材料的选择与制备 通常需要一层非晶的界面层来阻挡高k 材料与衬底之间的漏电流通道【2 2 1 ，或 者在淀积好的介质薄膜中掺杂其他元素，使生长的多晶薄膜转化为非晶，以降低 漏电流。把高介电常数的过渡金属氧化物掺入电学特性稳定的s i 0 2 或a 1 2 0 3 可以 得n - 元混合物体系，可以通过控制这个体系s i 0 2 的比例在一定条件下保持非晶 态，得到一个折衷的介电常数值。r u s s a c km a 等人的研究工作指出，只要体 系中有超过1 0 的s i 0 2 存在，即使在5 0 0 0 下退火6 0 h 也不会发生结晶 2 3 j 。 在实际工艺过程中，影响介质薄膜特性和质量的另一关键因素是薄膜的淀积 技术。介质薄膜的生长工艺必须与当前的或可预期的主流工艺、产量和生产成本 相匹配。所以，分析不同的淀积技术对栅介质特性的影响也是至关重要的。常见 的薄膜淀积技术有：物理气相淀积( p v d ) 、化学气相淀积( c v d ) 和原子层淀积 ( a l d ) 。虽然物理气相淀积在选择电介质应用方面为材料系统的评估提供了便利 条件，但是p v d 技术容易造成薄膜表面损伤，产生不必要的界面态。化学气相淀 积能够克服上述缺点，在制备较为复杂的集成电路器件中，可以获得均匀的表面； 但c v d 的缺点是在配制反应前体溶液时，很容易引进杂质。原子层淀积( a l d ) 通过自限制的化学反应原理，层层叠加的生长模式来制备薄膜。随蓿技术的不断 发展，a l d 将在制备高k 栅介质方面发挥重要作用 2 4 - 2 s 】。 2 3 1a l d 淀积砧2 0 3 和h f 0 2 薄膜流程 原子层淀积( a l d ) 技术，本质上是一种数字化的化学气相淀积( c v d ) ，早在 上世纪七十年代就由芬兰人s t m t o l at 和a n s t o nj 取得了该项技术专利【2 6 1 。表2 2 给出了原子层淀积技术的主要特点解气在超薄膜制造过程中的优点。 表2 2 原子层淀积的特征及其对薄膜生长参数和实际生产的作用 a l d 特征薄膜生长过程参数对实际生产有利影响 自限制生长过程薄膜厚度只取决于淀积脉冲循环 厚度控制准确简单、大面积淀积 次数、反应剂流速对淀积过程无能力、淀积一致性和台阶覆盖能 影响、精确控制薄膜成分、无气力良好、无颗粒污染、对气体前 相反应驱体的气化过程无特殊要求。 分次通入反应剂可以有足够时间完成个步骤反应 良好的淀积重复性、易获得明锐 界面和超晶格、可进行界面改性。 淀积过程温度范围不同材料淀积条件相容性好 表面有利于提高前驱体的反应 性、反应剂选择广泛、温度低、 质量好、易于制备多层薄膜。 然而与传统c v d 技术不同的是，a l d 技术是交替脉冲式地将反应气体通入 1 6 高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 到反应腔中。a l d 技术发生的表面反应是自限制的，一层一层地生长薄膜。在 用a l d 生长金属氧化物薄膜的工艺中，主要涉及有两类反应前体： 1 ) 提供金属离子的前体； 2 1 提供氧的前体。 金属前体和氧前体都以脉冲的形式交替地送入到反应腔中，之后饱和吸附在 衬底表面上。两种前体发生反应生成所需要的薄膜。在两次前体注入的间隔，脉 冲进一种惰性气体( 一般为氮气或氩气) ，把多余的前体以及反应的副产物吹洗出 反应腔。 本实验室所用的a l d 设备是由s u n t o l at 控股的p i c o s u n 公司的s u n a l e 型r - s e r i e s 。图2 2 给出了此设备的图片。 图2 2 原子层淀积所用设备 a l d 薄膜生长的基础是交替饱和的气相固相表面反应，当表面化学吸附饱和 后，表面反应前体的数量不再随时间增加，每次循环生长的薄膜都只是一个单原 子层。图2 3 给出了a l d 反应循环的几个主要步骤，主要包括四个： 1 ) 第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面； 2 ) 待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔； 3 ) 第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前 体发生反应： 4 ) 反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。 a l d 技术应用的都是自限制的表面反应，一个原子层一个原子层地生长，这 使得a l d 技术在大范围内制备超薄薄膜方面具有很大的优势。随着集成电路 m o s 晶体管栅介质厚度向纳米级的不断发展，a l d 技术在集成为3 0 0 m m 的s i 衬底上淀积超薄薄膨2 7 】的优势非常突出，另外，这种生长特性也使得薄膜在致密 第二章高k 栅介质材料的选择与制备 1 7 性，组分调控以及纯度方面也极具优势，其优点可以归纳为以下几点： 1 1 可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度，形成达到原子层厚度精 度的薄膜； 2 ) 不需要控制反应物流量的均一性： 3 1 前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均匀性的薄膜； 舢可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，作为台阶覆盖和纳米孔材料的涂层； 5 1 可以沉积多组份纳米薄层和混合氧化物； 6 ) 薄膜生长可在低温( 室温到4 0 0 ) 下进行； n 可广泛适用于各种形状的衬底。原子层沉积生长的金属氧化物薄膜用于栅极电 介质、电致发光显示器绝缘体、电容器电介质和m e m s 器件，丽生长的金属 氮化物薄膜适合于扩散势垒。 ( a ) 图2 3 原子层淀积薄膜技术生长周期示意图 a l d 技术是生长h f 基高介电常数栅介质的选择，已应用于i n t e l4 5 r i m 技术 节点的m o s 晶体管的制备中。表2 3 列出了常见的a l d 制备a 1 2 0 3 和h f 0 2 的栅 介质的反应源。 表2 3 制各栅介质薄膜的反应源 氧化物金属前体氧前体反应温度( 。c ) s i 0 2s i c hh 2 0 3 0 0 3 5 0 a 1 2 0 3a i ( c h d 3h 2 0 0 3 2 0 0 4 0 0 a i c l 3h 2 0 a i ( o e t h 2 5 0 4 5 0 h f 0 2 h f c l 4 h 2 0 0 3 h 2 0 2 3 0 0 h i f 【o c ( c h 3 ) 3 40 2 3 5 0 4 8 0 h f n ( c h 3 ) 2 4 h 2 0 3 0 0 h i 吓n ( c h 3 ) ( c 2 h 5 ) 4 h 2 0 1 5 0 3 2 5 目前来看，制备h f 0 2 薄膜最常见的反应前体为h f n ( c h 3 ) ( c 2 h 5 ) 4 ，即 1 8高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 t e m a h ：制备趟2 0 3 最常用的反应前体为a i ( c h 3 ) 3 ，即t m a ；制备s i 0 2 薄膜最 常见的反应前体为s i c h 。通常利用原子层淀积生长h f 基高k 材料组分的改变是 通过任意比例的更改每种反应循环的的次数来实现的。例如，任意比例的h f x s i y o z 薄膜可以通过改变生长h f 0 2 薄膜和生长s i 0 2 薄膜循环次数的比例来实现。 1 原子层淀积灿2 0 3 在原子层淀积的a 1 2 0 3 表面由于表面饱和吸附的原因，趾都带着羟基。在试 验中用采用a i o h 。在原子层淀积的第一个前驱体a i ( c h 3 ) 3 进入反应腔后，会发 生( 2 8 ) 式的反应： a i o h + a i ( c h 3 ) 3 一舢一o a i ( c h 3 ) 2 + c h 4 ( 2 - 8 ) 表亟羟基中的h 与a i ( c h 3 k 中的甲基c h 3 发生所谓的基团交换反应，生成 c h 4 ，多余的a i ( c h 3 ) 3 和c h 4 被n 2 从反应腔中带走，在表面留下a 1 o - a 1 c h 3 。 接着通入第二种反应前驱体h 2 0 ，发生( 2 9 ) 式的反应： a i ( c h 3 ) + h 2 0 一砧o h + c h 4( 2 - 9 ) 表面的c h 3 将与水中的h 发生反应，再一次形成a 丑，多余的h 2 0 和c h 4 同样被n 2 从反应腔中带走，在表面留下a 1 - o h ，这样，一个原子层淀积的反应 周期就完成了。上述每个阶段的持续时间为1 5 秒_ 2 5 秒_ 1 0 秒_ 3 0 秒。薄膜 厚度通过控制反应周期的数量得到精确地控制。 2 原子层淀积h 幻2 原子层淀积h 妇d 2 的机理与淀积a 1 2 0 3 的机理基本相同，两个半循环的反应方 程式如式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 所示： h f o h + h f n ( c h 3 ) ( c 2 h 5 ) 】4 + h f - o - h f n ( c 2 h s c h 3 ) 2 3 + h n ( c 2 h s c h 3 ) 2( 2 - 10 ) h f n ( c 2 h 5 c h 3 ) 2 宰+ h 2 0 - h f o h 事+ h n ( c 2 h s c h 3 h ( 2 - 1 1 ) 上述每个阶段的持续时间为5 秒_ 1 5 秒_ 1 0 秒_ 3 0 秒，薄膜厚度同样可以 通过控制反应周期的数量得到精确地控制。 2 3 2 退火对高k 栅介质薄膜特性的影响 由于氧化层中的电荷及界面态的存在会对材料的电学特性产生重要的影响。 把欲退火的片子，在真空或是在氮、氩等高纯气体的保护下，加热到某一温度进 行热处理。由于片子处于较高的温度，原子的振动能增大，因而移动能力加强， 可使复杂的损伤分解为点缺陷或者其他形式的简单缺陷，例如空位、间隙原子等。 这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移率移动，当它们相互靠近 时，就能复合使缺陷消失。对非晶区域来说，损伤恢复首先发生在损伤区与结晶 区的交界面，即有单晶区向非晶区通过固相外延再生长而使整个非晶区得到恢复。 此外，刚淀积的薄膜中含有残留的o h 和c h 3 等杂质基团。薄膜的热稳定性表明， 第二章高k 栅介质材料的选择与制备 1 9 高温热退火可以显著降低这些基团杂质的含量。同时由于在高温下原子的动能增 大，热运动加剧，使得退火后的薄膜表面更加光滑。因此，热退火可以有效地降 低界面态和介质层电荷。 图2 4 给出了不同温度下，退火对a 1 2 0 3 薄膜c v 特性的影响：不同温度下， 退火对h 幻2 薄膜c - v 特性的影响在图2 5 中给出。 v g f 图2 4 退火对a 1 2 0 3 薄膜的影响 图2 4 中所用实验样品是在氩气环境下对厚度为5 0 r i m 的灿2 0 3 薄膜，p 型衬 底m i s 结构进行不同温度不同时间的退火处理得到的。其中高频c - v 特性曲线的 测试频率为1 0 0 h z 。从图中可以看出，对a 1 2 0 3 薄膜，热退火对其积累区电容值 几乎没有影响，但是会显著改变积累区的电压范围，使其平带电压改变；在温度 为7 0 0 8 0 0 时，退火2 分钟对材料性能有很大的影响，能够有效地消除氧化 层中的正电荷；在1 0 5 0 的条件下，退火3 0 秒，进行此操作的目的是因为采用 离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质转入替位位 置以实现电激活。 图2 5 中所用实验样品是在氩气环境下对厚度为2 3 r i m 的h i d 2 薄膜，p 型衬 底m i s 结构在不同温度下进行3 0 分钟的热退火处理得到的。其中高频c v 特性 曲线的测试频率为1 0 0 h z 。从图中可以看出，在退火温度为3 5 0 时，积累区电 容有所下降，且耗尽区与积累区电容几乎无变化，由式( 2 2 ) 可知，氧化层等效厚 度增加；在退火温度为4 5 0 时，积累区电容进一步降低，且耗尽区斜率降低， 栅对沟道的控制能力减弱，达到强反型时的电压增大；在退火温度为5 0 0 时， 与退火温度为4 5 0 、5 5 0 、6 0 0 时的高频c - v 特性曲线相比，积累区电容增 大，耗尽区电压范围减小，有效地降低了界面态效应。因此，从图2 5 中可以得 出这样的结论：退火温度在5 0 0 时是最理想的，温度过高或过低都会对h i d 2 薄膜产生不良影响。 高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 图2 5 退火对n f 0 2 薄膜的影响 2 4 本章小结 高介电常数的栅介质在保持等效厚度e o t 不变的情况下能够提高实际的物 理厚度，降低栅极漏电流，提高器件可靠性。 在本章中主要探讨了高k 介质材料与s i 的热稳定性、带隙和与带边间的势垒 高度、界面特性，并以此来确定高介电常数栅介质材料的选择。目前已经将高k 栅介质材料研究主要集中在m 基高k 材料方面，如h f 0 2 。用p i c o s u n 公司的 s u n a l e 型r s e r i e s 原子层淀积( a l d ) 设备制备了高k 介质材料a 1 2 0 3 和h f i d 2 薄膜，给出了其工艺流程。由于氧化层中的电荷及界面态的存在会对材料的电学 特性产生重要的影响，热退火可以有效地降低界面态和介质层电荷。因此对a 1 2 0 3 和h 的2 薄膜分别做了退火实验，研究了退火温度和时间对高k 栅介质薄膜特性 的影响。 第三章h f 0 2 s i 0 2 叠栅结构的特性分析 2 1 第三章h i d 2 s i 0 2 叠栅结构的特性分析 3 1i s e t c a d 仿真工具简介 工艺及器件仿真工具i s e t c a d ( t e c h n o l o g yc o m p u t e ra i d e dd e s i g n , t c a d ) 是瑞士i s e ( i n t e g r a t e ds y s t e m se n g i n e e r i n g ) 公司开发的d f m ( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ) 软件，是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的二维和三维 半导体器件模拟器。它适用于各种半导体器件，如m o s 、双极、s o i 、e e p r o m 、 薄膜晶体管、化合物半导体以及功率器件等，可用于模拟器件的电学、光学、热 学效应，分析直流、交流小信号和瞬态特性。此仿真工具是建立在物理基础上的 数值仿真工具，它既可以进行工艺流程的仿真、器件的描述，也可以进行器件仿 真、电路性能仿真以及电缺陷仿真等。 i s e - t c a d 软件包是由多个模块组成的，主要是工艺仿真工具d i o s 、器件生 成工具m d r a w 、器件仿真工具d e s s i s 。 d i o s 可以对半导体工艺步骤进行仿真，其输入文件时由一系列连续执行的 命令构成的。d i o s 软件提供交互图形输出窗口，允许用户按照仿真步骤观察工 艺仿真的结果，同时可以控制观察不同的输出特性，比如显示网格、显示不同层 次、控制程序的运行等。 m d r a w 用于生成和修改t c a d 仿真模型以满足仿真的需要，主要提供灵活 的二维器件结构描述，包括结构的边界、掺杂以及优化等定义。它和t c a d 的其 他软件组合在一起使用，采用统一的d f i s e 数据格式。由于m d r a w 软件中已 经集成了2 d 网格生成工具，所以不再需要其他软件进行2 d 网格编辑。m d r a w 软件作为i s e t c a d 环境中的一部分，包括以下功能： 1 1 边界编辑 2 1 掺杂及优化编辑 3 1 脚本插件( t o l 语法) 4 ) 网格插件 以上功能用来建立边界、掺杂、优化信息以及为之后的器件仿真建立起适当 的网格。m d r a w 软件中的网格生成是在图形界面下进行的，也可以在命令行中 直接调用。m d r a w 还可以生成和修改t c a d 器件模型，从而满足仿真的需要。 d e s s i s 是一个支持一维、二维、三维半导体器件的多维、电热、混合模型 的器件与电路仿真器【2 8 1 。它能够仿真从纳米m o s f e t 到大功率双极型器件等多 种半导体器件，同时支持多种高级物理模型和数学解析方法。另外d e s s i s 软件 高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 还支持s i c 和一v 族混合结构、异质结器件。 d e s s i s 软件整合了先进的物理模型，以数字化的方法仿真大多数类型的单 个半导体器件或者一个电路中的几个物理器件的电行为。既可以仿真单独的一个 半导体器件的电学特性，也可以仿真几个器件组成的电路的电学特性。终端电流 l a 】、电压【v 】、电荷 c 】可以通过解物理器件方程组得到最终的结果。一个半导体 器件，比如一个晶体管，在d e s s i s 仿真器中被形容成一个虚的器件，它的物理 结构被离散成不均匀的网格和节点，所以在d e s s i s 软件中一个虚的器件就是一 个真正的器件。d e s s i s 软件具有以下一些特性： 1 ) 具有丰富多样的半导体物理器件模型( 漂移扩散、热力学和水压模型等) ； 2 1 支持不同的器件结构( 一维、二维、三维和二维圆柱) ： 3 ) 具有多种非线性仿真解决办法； 4 ) 支持混合模式仿真，其电热的网表可以有基于网格仿真的器件模型，也可以有 基于s p i c e 仿真的电路模型。 l i g a m e n tf l o w s , 刊命令， = = 卓艺模拟 = = d i o s j i g c m d i c l i o 缸ii d i o si * , i m p g z l i g a m e n th 科o u t s ： 驴 _ 0 c h a t g z 1 y t 扮令：o 池锄d h 绘制器件 陋界：o 吨b 甜 y 网格优化 刮* _ m & - d a t = d 玲p e ( 趸 加器件 t e c p i o t 网格：醯g r dig m d r a ：w 竿：爿蜃u 懋卜 f i 如s m a di一1 d e s s i s r _ 1 4 e s - d a ti 图3 1 器件设计流程 典型的器件设计流程( g e n e s i s e 工具流程平台) 包括利用工艺仿真( d i o s ) 创建器件结构，然后使用器件描述工具( m d 】认w ) 进行器件网格和掺杂的优化， 最后使用器件仿真软件( d e s s i s ) 进行器件特性仿真。有时不使用工艺仿真，直 接利用m d r a w 创建器件结构( 掺杂和网格) 同样是可行的。最后使用t e c p l o t 工具给出仿真输出结果，使用i n s p e c t 软件显示电学特性。图3 1 给出了本章中 用i s e t c a d 软件对器件进行仿真的基本流程。 第三章h f 0 2 s i 0 2 叠栅结构的特性分析 3 2 理想m i s 结构c v 特性分析 m o s 电容结构是m o s f e t 的核心，m o s 器件和栅氧化层半导体界面处的 大量信息，可从器件的电容电压关系即c - v 特性陷线中得到。器件电容定义为： c ：丝 ( 3 1 ) d v 、7 其中，鲤为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压d v 的微分变量的函 数。这时的电容式小信号或称交流变量，可通过在直流栅压上叠加一个交流小信 号电压的方法测量出。因此，电容是直流栅压的函数。 本节将讨论m o s 电容的理想c v 特性【2 9 j ，首先假设栅氧化层中和栅氧化层 “彻) = 巳= 子 l11 一= 一一 c ( a e p t ) q 。c ( 3 3 ) 或呐垆摄 l 十l ，气- l 、 由于c ：= 0 xc 函= 乞，式( 3 - 4 ) 可以写成： c ，。奄2 存 p 5 ， 从式( 3 5 ) 可以看出，总电容c ( 却，) 随着空间电荷区宽度的增大而减小。 2 4 高k 叠栅结构与f i n f e t 器件的电特性研究 可以得到最好的电容值c 血为： ， 一 s 嗽 + l 予i + ( 詈 ( 3 - 6 ) _1 鼗 + q 、。一一互一gi l 露 ，i 馨 露 一l a ql _ 金属氧化物p 型半导体一 图3 2 ( a ) 堆积栲式时的能带图图( b ) 堆积模式下栅压微变时的微分电荷分布 l ： 口 一 ( 上乏i 啦l _ ，；，一一， ，) 麓 施 一； 墨 。 _ 一 氧 j 3 ( a ) 耗尽窀 的毹耗尽模多微蔓 电荷分布 l 一 - -+ d f - z ，。盛 1p 二 4 ( a ) 反型模式时的能带图图反型模式下栅压微变时的微分电荷分布 第三章h i d 2 s i 0 2 叠栅结构的特性分析 图3 4 ( a ) 显示了反型时的m o s 器件的能带图。在理想情况下，m o s 电容电 压电压的一个微小的改变量将导致反型层电荷密度的微分变量发生变化，而空间 电荷宽度不变，如图3 4 ( b ) 所示，若反型层电荷能够跟得上电容电压的变化，则 总电容就是栅氧化层电容： c 例= 巳2 詈 图3 5 给出了理想电容和栅压的函数曲线图，即p 型衬底m o s 电容的 c - v 特性。图中的三条虚线分别对应三个分量：c ：、c 册和c 血。实线为 理想m o s 电容器的静电容。如图所示，弱反型区是当栅压仅改变空间电荷 密度时和当栅压仅改变反型层电荷时的过渡区。图中的黑点对应于平带时的 情形，平带情形发生在堆积和耗尽模式之间，平带时的电容为： c 乃= 从式( 3 8 ) 可以看出，平带电容是栅氧化层厚度和掺杂浓度的函数。 巧啼 图3 5p 型衬底m o s 电容器理想高f 氐频电容和栅压的函数关系图 ( 3 - 7 ) ( 3 -