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1、华中科技大学 硕士学位论文 高k栅介质SiGe MOS器件电特性研究 姓名：张兰君 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：徐静平 20070531 I 摘 要 随着互补金属氧化物半导体 (CMOS) 器件特征尺寸的不断缩小， Si 基 MOS 器件 的发展达到了其物理极限，新的沟道材料应变 SiGe 由于其具有空穴迁移率高，温度 范围宽，热传导性良好和漏电流低等特点，成为了制造超小尺寸、高集成度、高频、 低噪声集成电路的理想半导体材料。最近几年，高 k 栅介质 Ge 和 SiGe MOSFETs 的 研究是微电子学领域的热点，主要集中于高 k 栅介质的制备工艺及其电特性研究
2、。 本文研究了 SiGe MOSFET 的迁移率。在器件物理的基础上，考虑了应变对 SiGe 合金能带结构参数的影响，建立了一个半经验的 Si1-xGex pMOSFET 反型沟道空穴迁 移率模型。该模型重点讨论了反型电荷对离化杂质散射的屏蔽作用，由此对等效体晶 格散射迁移率进行了修正。并且详细讨论了等效体晶格散射迁移率随掺杂浓度 Nd和 Ge 组分 x 的变化。利用该模型，对影响空穴迁移率的主要因素进行了分析讨论。本 文介绍了高 k 栅介质 Ge MOS 电容样品的制备，并进行了测试。比较了湿 N2退火和 干 N2退火对 HfTiON 栅介质 Ge MOS 电容界面特性的影响，分析了 Ti
3、浓度对 HfTiO 栅介质 Ge MOS 电容样品电特性的影响。比较了 HfO2 、HfTiON 和 HfTiO 栅介 质 Ge MOS 电容样品电特性的差异，以及各自的优缺点和应用前景。此外，本文还研 究了高频 C-V 测试仪的数据采集及处理， 完成了数据采集界面程序的编写。 利用 Protel 完成了测试仪印制电路板的设计。 关键词：关键词：SiGe MOSFET 迁移率 库仑散射 高 k 栅介质 界面特性 II Abstract As the continual scaling of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), Si M
4、OS device approaches its fundamental limits, and new channel materials the strained SiGe material possesses such qualities as: high hole mobility, wide range of suffering temperature, good heat conductibility and low leakage current etc, which enable it to become an ideal material used for the produ
5、ction of ultra-small-scale, highly-integrated circuits which own high frequency and low noisy. Recently, study on SiGe or Ge MOSFETs with high- gate dielectric have become hot point, which mainly be focused on fabrication processes and electrical properties of high- gate dielectric. The mobility of
6、SiGe MOSFET was studied in this essay. Considering the strain-effect on Si1-xGe according to device physics, a low-filed hole mobility model is founded. The model is fitted as the function of components of Ge ini1-xGex alloy, in which the coulomb scattering of the trapped charges and ionized doping
7、is revised because of the different screen-effect that mobile carriers play on them. By the model, the variation of hole mobility with strain is simulated and the influences of some parameters on mobility are analyzed and discussed for device-optimizing. In this work, the samples of High-k Gate Diel
8、ectric SiGe MOS device are made and tested. The influences to the interface properties of the Ge MOS capacitance with HfTiON Gate Dielectric generated by the wet N2 PDA and dry N2 PDA are compared as followed. How the Ti concentration influence on the electricity properties of HfTiO Gate Dielectric
9、Ge MOSFET are discussed also. The different electrical properties of the different Ge MOS capacitance samples with different gate dielectric of HfO2 ,HfTiON and HfTiO are compared, the merits of each kind materials and application foreground are also discussed. Further more, the data collection and
10、processing of the high frequency C-V measuring device are studied. The programming of data collection interface is complished . Meanwhile, this article has accomplished the PCB designing of the high frequency C-V measuring device with the help of soft Protel . Keywords: SiGe , MOSFET , Mobility ,Cou
11、lomb Scattering , High k Gate Dielectric， Interface Properties 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献 的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复
12、印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属 1 1 绪 论 1.1 SiGe 材料基本特性及其研究意义 硅作为半导体材料应用已经历 50 多年，无论是技术发展还是应用程度都已非常 成熟。硅器件在微电子技术发展中至今保持着统治地位，其集成度越来越高，但是由 于 Si 材料自身的特点要进一步提高硅器件及其
13、集成电路的工作频率比较困难。 目前工 业硅(Si)集成电路的特征尺寸已达到 100 纳米范围，这一尺寸已小于电子运动的相干 长度1-2。此时，在单个器件中电子的运动将遵从量子力学的原理。Si 集成技术的发 展已接近物理极限，因此深入研究在纳米尺度下的各种量子力学效应和新的器件原 理，开发新一代的量子力学器件，并以此构成新的单元电路是信息科学持续高速发展 的前提。而使用性能优于硅的新型半导体材料可以延长目前集成电路发展的寿命，即 可用相同水平的工艺技术，获得高于 Si 器件及电路的性能。 SiGe 技术就属于这类技术，硅锗(SiGe)技术被称为“第二代硅微电子技术”而别具 风格，它利用“能带工程
14、“通过裁减半导体能带，第一次使得 Si 无需借助于缩小器件尺 寸而提高器件性能，并能满足特定的应用3。在 Si 中引入少量的 Ge(100)和低噪声（2GHz时NF0.8dB)的特性；(3)温度 范围宽，可实现稳定的工作特性，特别适用于低噪声的RF前段电路应用；(4)可将SiGe 技术集成于常规的CMOS生产工艺中，如对于标准CMOS工艺只需增加4道工序，对于 标准双极工艺需增加5道工序，对于Bi-CMOS工艺需增加一道工序，使SiGe器件具有 高速双极工艺和CMOS工艺的双极功能；(5)SiGe制造成本比GaAs低30%，比Si高 10%30%；(6)SiGe在热传导和低泄漏电流方面有优良特
15、性。这一切使得SiGe成为非 常有研究价值的半导体材料3。 1.2 SiGe 器件研究状况 早在20世纪50年代中期，Kroemer就提出了异质结的原理和概念。由于Si和Ge晶 格失配达4%，SiGe材料的制备有很大的难度4。直到80年代，异质结技术才有明显发 展。早期在Si衬底上生长SiGe外延层的研究主要采用MBE方法。1975年，Kasper等人 发表了关于在Si衬底上MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)生长Si/Ge超晶格的 文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行 了许多研究， 生长出全应变， 低缺陷密度的高质量Si
16、Ge/Si异质结材料。 随后各种SiGe/Si 异质结器件相继研究成功。如：SiGe HBT,应变SiGe沟道的PMOSFET(P沟金属/氧化物 /半导体场效应晶体管)和弛豫SiGe/应变Si电子沟道的NMOSFET等。对于SiGe/Si异质 结场效应晶体管来说，主要得益于压缩应变的SiGe空穴沟道层及张应变的Si电子沟道 中载流子迁移率的提升，器件的速度将比常规Si器件有明显提高。0.25m沟长的SiGe NMOSFET获得了330/ms mm的峰值跨导，是Si的两倍。其 T f和 max f分别为33GHz和 40GHz。对于SiGe PMOSFET，0.1m沟长的峰值跨导为237/ms mm，其 T f和 max f分 别为10GHz和18GHz，室温迁移率为1300 2 /cmV s ，是体Si PMOSFET的6倍。在亚微 米、深亚微米区域内，由于SiGe MOSFET中载流子易发生速度过冲现象，其优势更明 3 显。因而SiGe器件能够获得更高的电导、更高的速度和更
