HfMxOy/金属栅界面控制及有效功函数调制机理

本课题拟研究应用于32nm以下pMOS场效应管的核心器件- - Hf基介质/金属栅界面控制及有效功函数调制机理。在探明Hf基介质与金属栅界面作用基础上，采用等离子体增强原子层沉积与离子注入技术，制备金属/Hf基介质/SiO2/Si栅堆叠结构，开展HfMxOy/金属栅界面控制及有效功函数调制机理研究（M指掺杂元素）。通过金属/金属氮化物双金属栅极，利用远程氧吸除技术控制Hf基介质/SiO2氧空位，抑制界面产物缩小等氧化层厚度(EOT)，改善费米能级钉扎效应；利用Al离子注入技术结合后退火工艺，探讨在Hf基介质/SiO2界面直接诱导偶极子提升有效功函数的作用机理，以及通过反向偶极子抑制超薄EOT条件下平带电压显著回落效应，控制界面产物提升有效功函数。该研究对于拓展Hf基介质/金属栅结构在32nm以下场效应管器件中的应用，推动我国微电子材料与器件应用基础研究达到国际先进水平具有重要意义。

HfMxOy/金属栅界面控制是金属-氧化物-半导体场效应管等比缩小面临的关键问题之一，已受到普遍关注。其中随着等氧化层厚度（EOT）减薄，Hf基栅介质与金属栅极之间的界面效应、界面产物抑制、有效功函数等电学特性调控，已引起国内外广泛关注。本课题针对上述核心科学问题进行了深入研究，获得了一系列研究成果包括13篇SCI论文，其中Advanced Functional Materials 1篇，授权国家发明专利2项。首先，系统综述了Hf基高k介质/金属栅界面偶极子对新型MOS结构电学特性的研究进展，分析了Hf基栅介质相匹配的金属栅极材料需满足的条件，深入探讨了界面偶极子对HfMxOy/金属栅结构有效功函数的调制机理。在此基础上，利用Al、Si等在不同界面诱导偶极子，分别调制HfMxOy/金属栅结构的有效功函数及其电学特性。通过在下界面处引入单层石墨烯有效调控了HfMxOy/金属栅结构的电学特性，抑制了金属栅/Hf基高k栅介质/Si结构的平带电压回落现象，重点研究了全栅型MOS结构的费米能级钉扎效应，并建立了相应的物理新模型。该模型可适用于新材料和新结构的MOS器件费米能级钉扎效应研究，有效解决了困扰高k基器件的界面稳定性难题，拓展了HfMxOy/金属栅结构的应用范围等，相关研究成果引起国内外同行的关注。