锗基MOS器件栅结构界面偶极子的研究

Ge based MOSFET with high dielectric constant insulator and metal gate becomes the main research field for the 5 nm CMOSFET device technology nodes and beyond, which have a very important effect on the continuation of Moore’s law. Even though the interface dipole plays an important role on the Ge based MOSFET with high dielectric constant insulator, there are still rarely reports about the interface dipole in the related Ge based gate stack. Based on the above questions, this project investigates the interface dipole in the Ge based gate stack, quantitatively analyzes the numerical value of the interface dipole and its distribution, and also explores its physical origin. This project will effectively tune the interface dipole, and provide theoretical guidance and technology roadmap for the improving of device performance.

随着集成电路工艺技术进入5纳米技术节点，锗基高介电常数栅介质MOS晶体管成为技术发展的主流方向之一，对延续摩尔定律起到非常重要的作用。然而，锗基高介电常数栅结构中的界面电学偶极子，却鲜有报道，尽管此界面偶极子在硅基高介电常数栅介质MOS器件中扮演着十分重要的作用。鉴于此，本课题研究锗基MOS器件栅结构中的界面电学偶极子，定量分析界面偶极子分布及数值，探究其物理起源，进而有效调制此界面偶极子，分析偶极子远程库伦散射机制导致的载流子迁移率特性的退化，为器件性能的改善提供理论指导和技术路线。

随着集成电路工艺技术进入5 纳米技术节点，锗基高介电常数栅介质MOS晶体管成为技术发展的主流方向之一，对延续摩尔定律起到非常重要的作用。然而，锗基高介电常数栅结构中的界面电学偶极子，却鲜有报道，尽管此界面偶极子在硅基高介电常数栅介质MOS器件中扮演着十分重要的作用。鉴于此，本课题研究锗基MOS器件栅结构中的界面电学偶极子，定量分析界面偶极子分布及数值，探究其物理起源，进而有效调制此界面偶极子，本课题先后对Ge基MOS器件中高k叠栅介质中的缺陷电荷、栅电荷的物理起源及其对沟道载流子的库伦散射进行了研究，具体的工作内容及对应的研究方法、取得的研究结果如下：（1）Ge/GeOx界面和GeOx/Al2O3界面的固定电荷密度分别为3.22×1012 cm-2和-2.57×1012 cm-2，GeOx/Al2O3界面偶极子的面密度为1.76×1013 cm−2。随着界面层GeOx厚度的降低，GeOx/Al2O3界面处固定电荷和偶极子对沟道载流子的远程库伦散射将会明显增强，因此表现为迁移率随着界面层厚度的降低而降低。但是从电荷的面密度分布来看，偶极子的数量比界面固定电荷的数量增加了一个数量级，远程偶极子比固定电荷对载流子的库伦散射作用更为显著。（2）偶极子的形成可以利用带隙态和CNL能级的理论来解释。由于GeOx和Al2O3在界面处的能带不连续，造成了GeOx和Al2O3禁带中的带隙态。CNL的作用类似于界面态的费米能级。由于两个半导体CNL不匹配，引起的电荷转移决定了这两个半导体的能带对准和界面处的偶极子。（3）具有相同GeOx/Al2O3栅结构的Ge pMOSFET在N2退火之后空穴迁移率提高，O2和NH3退火之后的空穴迁移率降低。本课题的研究为器件性能的改善提供理论指导和技术路线。