高k材料MOSFET沟道电子迁移率的增强研究

Following the rapid development of the microelectronics, the size of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) dramtically shrinking with shortning the lenth of the channel and thinning the thickness of the isolation layer. As a result, the leakage current from gate to the channel increases. In order to conqure the leakage current, a new type of materials, the high-k materials are introduced to present to the conventional SiO2 isolation layer. However, carrier mobility largle degraded in the high-k MOSFETs due to the effects of scattering mechansim in the high-k layer and the gate on the carriers in the channel. Therefore, it seems imminent to do a research on the mobility degradation in the channel of high-k MOSFETs. In this project, applying a numerical simulation on the transportation of the electrons in the channel, from solving the Schrodinger and Poisson equations to study the impact of scatterings on the electron mobility. Based on these works, finally propose an approach and method for increasing electron mobility. This project will provide a data basis and scientific proof for basic standards and figures of the next generations MOSFETs. Keywords: mobility; high-k materials; MOSFET;

随着现代微电子技术的进步，半导体技术行业不断地努力缩小金属-二氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）的尺寸，即沟道长度不断地缩短，栅氧化层厚度也不断地细薄。氧化膜层厚度的稀薄导致从栅极到沟道的漏电增加而有必要以高介电常数（高k）材料来替换原二氧化硅层。高k材料虽然克服了漏电问题但导致了栅极和氧化层对沟道载流子的散射而降低沟道载流子的迁移率。本项目从沟道电子的疏运特性出发采用数值模拟，经求解薛定谔及泊松方程来分析氧化层和栅极中的各散射机制对沟道电子的散射影响，并提出增强沟道电子迁移率的方案。 本项目将给新一代MOSFET的基本参数和特性提供基础数据和科学依据。 关键词：迁移率，高介电常数材料，场效应晶体管

采用高k材料为绝缘层是减小小尺寸金属-二氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）沟道漏电流的有效方法之一。但在高k材料MOSFET中，因高k层的各种复杂、多样化的散射对沟道电子输运特性的影响，沟道电子迁移率比传统二氧化硅MOSFET沟道电子迁移率小得多。因此，本项目从理论和实验两方面同时探讨了以高k材料增强MOSFET沟道电子迁移率。首先，从理论角度，采用蒙特卡洛数值模拟方法研究了应变和漏电极各种散射机制对二极管沟道电子输运特性的影响。模拟结果表明，非弹性散射增强二极管特性反而弹性散射降低器件特性。另一方面，应变诱导的能级分裂可以抑制光学声子散射，随着偏压的增加，光学声子散射的作用逐渐减少。同时，采用非平衡格林函数的数值模拟方法研究了高k材料（Al2O3，La2O3，Y2O3，Ta2O5，HfO2）对短沟道双栅MOSFET性能的影响。结果表明，随着材料介电常数的增加以及等效氧化层厚度的减小，沟道区域能量势垒高度减小，从而导致沟道电子数密度的增加，最终使得漏极电流增加。总的来说，采用高 k电介质材料为绝缘膜可有效地束缚栅极漏电流从而提高短沟道双栅极MOSFET的性能。同时，从实验角度，采用脉冲激光沉积技术制备高k材料(La2O3, Er2O3, Al2O3, LaAlO3)/硅(Si)衬底薄膜，并在原位条件下，利用同步辐射光电子能谱探讨了材料层和退火温度对高k材料/Si衬底的界面特性的影响。为了改善Er2O3/Si的界面特性，选取Al2O3作为势垒层，制备了Er2O3/Al2O3/Si多层薄膜。实验结果显示，在沉积Er2O3层和退火过程中生成硅化物，但随着Al2O3沉积厚度的增加硅化物的峰强减弱，说明势垒层起到了有效地阻挡氧原子的扩散作用。然而，La2O3/ Si薄膜的实验结果表明，在沉积和退火过程中生成硅化物，说明La2O3/Si界面不太稳定。而La2O3/LaAlO3/Si薄膜的实验结果表明，在沉积LaAlO3薄膜和退火过程中，LaAlO3不与Si发生反应由此表明了LaAlO3/Si界面是稳定的。因此，实验结果表明了在高k材料/Si衬底界面引入势垒层可有效地控制界面的热稳定性从而改善MOSFET绝缘层的特性，对增强MSOFET沟道电子迁移率提供有效的实验方案。