新型HfO高k栅介质MIS电容的电学特性研究

摘要

45nm工艺节点下传统的SiO2作为栅氧化层介质会导致电子的直接隧穿效应以及栅介质层所承受的电场变大，由此引起栅介质的泄漏电流增大和可靠性下降等问题，严重阻碍了MOS器件的进一步发展。克服这些问题的有效方法之一是采用高介电常数的栅介质：HfO2取代传统的SiO2。本文详细探讨了新型HfO2栅介质MIS电容的电学特性，进行了理论仿真和实验研究。 论文首先通过求解半导体内的泊松方程，精确分析了MOS电容的静电特性包括随位置变化的电荷密度、电场与电势的表达式以及电容与电压的表达式，计算出理想情况下低频C-V特性曲线和高频C-V特性曲线；采用Terman法对比理想高频C-V曲线和实验C-V曲线，提取了MIS电容的电参数，包括平带电压偏移量、氧化层陷阱电荷密度、界面态密度和等效氧化层厚度等。对比不同工艺条件下的样品所提取的电参数发现，结合NH4F预处理和高温退火可以显著降低界面态和氧化层陷阱电荷，从而极大的降低栅极漏电流。 此外，针对双频C-V法测量超薄HfO2栅介质MIS电容中实际设备引入的寄生因素，提出改进的四元件小信号等效电路模型。该模型修正了双频C-V法，与传统的双元件并联等效电路相比，增加了串联寄生电阻和串联寄生电感两个参数。实验和计算结果表明，结合双频测量结果计算出的修正C-V曲线可消除高频时的频率色散现象，使其更加接近理想C-V曲线，只需加入简便的数学计算即可广泛应用于常规双频C-V法提高测量精度。

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第一章绪论

1.1纳米尺度CMOS器件面临的挑战

1.1.1薄栅氧化层的可靠性

1.1.2氧化层的隧穿电流对器件可靠性的影响

1.1.3多晶硅栅耗尽和反型层量子化的影响

1.2高介电常数栅介质的特性

1.2.1高介电常数栅介质的优越性

1.2.2与Si的热稳定性

1.2.3介质材料的带隙与介电常数的关系

1.2.4界面特性

1.3本文的主要研究工作及内容安排

第二章MIS二极管的相关理论

2.1理想MIS二极管的能带结构

2.2理想MIS二极管的C-V特性

2.3 MIS电容中的电荷

2.4金属半导体功函数差

2.5 Fowler Nordheim隧穿电流

2.6 MIS二极管的电学参数

第三章界面特性理论分析与实验研究

3.1可靠性测试系统

3.1.1 Keithley 82-WIN同步C-V测试系统

3.1.2 HP4156B高精度半导体参数分析仪

3.1.3 SIGATONE S1160探针台

3.2界面陷阱电荷的测量

3.2.1界面态对高频C-V特性的电容贡献和电压扩展

3.2.2高频C-V线的电压偏移和界面态分布的关系

3.2.3界面态引起的C-V曲线偏移结果讨论

3.2.3 C-V曲线测量界面态密度

3.3实验结果与分析讨论

3.3.1电容曲线分析

3.3.2电流曲线分析

3.4小结

第四章四元件电路模型双频C-V法

4.1常规的C-V测量

4.2超薄MIS二极管等效小信号模型

4.3四元件电路模型的实验验证

4.4寄生元件的参数值

4.5小结

第五章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

附录