纳米MOS器件中的表面粗糙度散射机理研究

现代集成电路技术已经进入纳米时代，用于实际集成电路的场效应晶体管（MOS）的栅极长度已经远远小于100nm。集成电路芯片的性能随着MOS器件尺寸的变小而得以提高。决定MOS器件性能的一个重要参数是场效应晶体管反型层中载流子的迁移率，其具有很强的沟道电场依存性。随着电场的增大，主导的散射机制不同，在高电场下，起主导作用的是SiO2/Si界面粗糙度散射。本项目将结合超低温测试和超高分辨透射电镜（TEM）观察研究纳米MOS器件（65nm和90nm工艺）中的SiO2/Si界面粗糙度散射机理。定量研究不同栅极氧化物（SiO2，SiON，高k等）MOS器件（包括n与pMOS器件）中的界面粗糙度散射并澄清其散射机理的不同。进一步，将研究表面粗糙度与器件可靠性直接的关联。用超高分辨TEM直接研究MOS界面粗糙度，并和迁移率结果对比，提出在高k、新沟道时代如何提高反型层载流子高场迁移率，抑止界面粗糙度。

在本课题的执行期内，我们紧密围绕课题任务书中的要求，在纳米MOS器件尤其是新沟道材料和新结构器件中的表面粗糙度散射机理方面开展了大量的工作，主要包括：（1）多栅（Fin）Ge沟道MOS器件的制备工艺研究。提出了SF6/CF4循环反应离子刻蚀（RIE）技术，大大降低了Fin的表面粗糙度并且优化了FinFET器件中Fin的形貌；（2）提出了一种制备高质量Ge MOS结构的新方法-臭氧后处理法，研究了臭氧处理和GeO2界面层对高k栅极介质Ge MOSFET器件可靠性的影响，并提出了相应模型；（3）研究了不同栅极结构（GeO2/Ge和Al2O3/Ge）中MOS反型层中的载流子散散机理和可靠性行为；（4）研究了不同晶向Ge MOSFET器件中载流子输运与Si MOSFET中的区别，提出了统一的模型，尤其在表面粗糙度散射方面，Ge表现出了与Si很大的差异；（5）研究了利用高分辨TEM表征MOS器件的界面形状，并进一步提取出形状函数，与MOS器件迁移率的测试结果对比，定量给出TEM样品厚度对表征粗糙度和后续计算迁移率的影响。同时定量研究了应变对Si MOS界面粗糙的影响；（6）研究了应变对Si pMOSFETs 负偏压不稳定（NBTI）特性的影响，从MOS界面出载流子的分布函数出发，提出了一个统一的模型用于解释如何合理利用应变来改善器件的可靠性行为。