高κ栅介质LaAlO3的电学特性研究

论文摘要

在等比例缩小原则的约束下,为了保持优异的MOS器件的性能,同时又要抑制过大直接隧穿电流和保持栅氧化层的可靠性,这时就需要寻找一种新型的高κ材料来代替传统的SiO2栅介质。综合许多因素业界研究认为Hf基与La基的金属氧化物是作为下一代栅介质的优秀选项。本文主要研究了一种新型的高κ材料LaAlO3的电学特性,说明它是一种性能优良的高κ栅介质材料。本文从理论和计算机辅助仿真两个方面对LaAlO3薄膜进行了电特性研究。研究了界面态对于薄膜电特性的影响,以及较高的退火温度下,栅氧化层的热稳定性对于器件性能的影响。另外,结合直接隧穿,F-N隧穿,热电子发射等载流子隧穿机制,拟合出了实际存在于LaAlO3薄膜中的隧穿电流机制。在ISE-TCAD平台上对于不同温度下LaAlO3薄膜的漏电流进行了仿真。另外,对于运用高κ栅介质时普遍存在的阈值电压漂移问题,本文给予了详细的论述和计算。高κ栅介质的应用增加了氧化层的物理厚度,由此产生的边缘电场效应随着κ值的增大而变得显著。本文对于边缘寄生电容进行了建模和计算,说明了它对于短沟道效应的增强作用,以及对于阈值电压的影响。另外,La和Al元素在Si衬底和高κ介质界面处会形成电偶极子层,利用这层有极性的电偶极子来调节MOS器件的平带电压的方法已经被业界广泛使用,而且加入Al和La元素分别对于平带电压有正向和负向的调节作用。所以对于既含有La元素又含有Al元素的LaAlO3薄膜,本文详细研究了其中电偶极子的作用机理,计算出了随La:Al比例和退火温度不同,平带电压漂移量的变化,总结出了工艺中最佳的退火温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MOS 器件特征尺度进入纳米量级所带来的问题
• 1.1.1 栅氧化层的击穿问题
• 1.1.2 栅漏电流的增大
• 3 薄膜的优秀性能'>1.2 高κ栅介质选择和LaA1O₃薄膜的优秀性能
• 1.2.1 高κ栅介质对直接隧穿电流的抑制作用
• 1.2.2 栅介质的选择
• 1.3 高κ技术的现状与发展
• 1.4 本文研究内容及意义
• 3薄膜的ALD 生长和基本电参数测量'>第二章 LaA1O₃薄膜的ALD 生长和基本电参数测量
• 2.1 ALD 生长简介与特点
• 3 薄膜的ALD 生长'>2.2 LaA1O₃ 薄膜的ALD 生长
• 3 薄膜的影响'>2.3 退火对于LaA1O₃薄膜的影响
• 3 薄膜和Si 衬底之间价带导带偏移量的测量'>2.4 LaA1O₃ 薄膜和Si 衬底之间价带导带偏移量的测量
• 3 介质薄膜的κ值'>2.5 LaA1O₃介质薄膜的κ值
• 2.6 总结
• 3栅介质薄膜电学特征的仿真'>第三章 LaA1O₃栅介质薄膜电学特征的仿真
• 3 栅介质MOSFET 的电特性仿真'>3.1 LaA1O₃ 栅介质MOSFET 的电特性仿真
• 3.2 界面陷阱对于栅电容的影响
• 3.2.1 界面陷阱的产生机理和其对于栅电容的影响
• 3 界面态对C-V 曲线影响的仿真与分析'>3.2.2 LaA1O₃ 界面态对C-V 曲线影响的仿真与分析
• 3 薄膜良好的热稳定性对于MOSFET 电特性的影响'>3.3 LaA1O₃ 薄膜良好的热稳定性对于MOSFET 电特性的影响
• 3 薄膜的良好热稳定性'>3.3.1 LaA1O₃薄膜的良好热稳定性
• 3 良好的热稳定性对器件性能影响的仿真'>3.3.2 LaA1O₃良好的热稳定性对器件性能影响的仿真
• 3 作为栅介质时的漏电流机制'>3.4 LaA1O₃作为栅介质时的漏电流机制
• 3.4.1 热载流子发射（Thermionic emission）
• 3.4.2 普尔-法兰克发射（Poole-Freckle emission）
• 3.4.3 F-N 隧穿（Fowler-Nordheim tunneling）
• 3 薄膜漏电流仿真'>3.4.4 实际情况的LaA1O₃薄膜漏电流仿真
• 3.5 总结
• 3栅介质薄膜对于阈值电压的影响'>第四章 LaA1O₃栅介质薄膜对于阈值电压的影响
• 4.1 短沟道效应对于MOSFET 阈值电压的影响
• 4.2 边缘寄生电容效应
• 4.2.1 MOSFET 边缘电容模型
• 4.2.2 边缘寄生电容的仿真与验证
• 4.3 电偶极子层在高κ栅介质中对于平带电压的影响
• 3/Si 界面处电偶极子层对于平带电压影响的建模与仿真'>4.4 LaA1O₃/Si 界面处电偶极子层对于平带电压影响的建模与仿真
• 4.5 总结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果