LaTaON高k栅介质Ge MOS器件界面特性及GeOI MOSFET阈值电压模型研究

摘要

自1965年Moore定律提出以来，Si基MOSFET器件不断小型化已有50多年，即将接近其物理极限。Ge由于其较高的载流子迁移率（尤其是空穴），在制备MOSFET方面显示出极大优势。高k栅介质与Ge沟道相结合，制备高k/Ge MOSFETs是目前最具有应用前景的Si基MOSFET替代方案之一。然而，高k栅介质与Ge沟道之间的界面质量问题，是阻碍Ge MOSFET发展的关键。本文首先利用数学模型，研究分析了高k/GeOI MOSFET的阈值电压特性；接着以LaTaON高k栅介质为基础，研究了高kLaTaON Ge MOS器件的界面特性及其电学性能，并研究了Ge表面进行N钝化等离子体处理对其性能的改进。 首先，以泊松方程求解二维表面势的分布为基础，研究了高k/GeOI MOSFET的阈值电压特性。通过对比不同的沟道厚度和沟道长度，发现在短沟道器件中（Lg＜60nm），减小Ge沟道厚度一方面可以有效的抑制短沟道效应对阈值电压的影响；另一方面，可以降低漏致势垒降低效应对阈值电压的干扰；此外，模型还验证了GeOI MOSFET可以通过改变其背栅的外加偏压来调节阈值电压的优点。 之后，通过对比不同Ta含量的LaTaON高k栅Ge MOS样品，研究了LaTaON栅介质中Ta的含量对高k/Ge MOS电容界面特性以及电学性能的影响。结果表明，少量的Ta掺入可以有效改善器件的界面特性和电学性能；当Ta过量掺入时，器件性能反而会下降。实验发现，Ta含量约为30%左右时，器件表现出最好的界面特性（Dit=7.6×1011eV-1cm-2）以及电学性能（Vg=Vfb+1V处漏电流8.32×10-5A/cm2）。 为进一步改善LaTaON高k栅Ge MOS电容的性能，研究了N等离子体Ge界面钝化对高kLaTaON/Ge MOS器件界面特性以及电学性能的影响。实验结果表明，综合考虑界面态密度、C-V曲线、回滞电压、频散特性以及漏电流密度等参数，N等离子体处理可以有效改善高kLaTaON/Ge MOS电容器件的界面特性以及电学性能；对比N2和NH3等离子体处理结果，后者表现出更好的钝化效果，表明NH3比N2更适合用作Ge表面的N钝化等离子体处理。

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