Ge基MOS器件迁移率的远程库伦散射机制的研究

Ge based MOSFET with high dielectric constant insulator and metal gate is a main research field for the 10 nm MOSFET device technology node and beyond. Even though there have been lots of research about this field, there are still some problems which need to be investigated. In particular, the degradation mechanisms of mobility, when Ge substrates are introduced into MOS structure, have not been fully clarified, which is important for the improvement of mobility. For example, the mechanism of coulomb scattering caused by the fixed charges and interfacial dipole in the gate stack is still perplexing. Based on the above questions, this project investigates the mechanism of mobility scattering. We will quantitatively analyze the distribution of the fixed charges and interfacial dipole in the gate stack and clarify their physical origins, and further study how these factors impact on the mobility of Ge substrate. This project will provide technical route for the improvement of device performance.

随着集成电路工艺技术进入10 纳米技术节点，Ge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。尽管针对Ge基高介电常数栅介质MOS晶体管开展了广泛的研究，但是仍然有一些科学问题亟待更加深入的探究，以推动Ge基的产业应用。特别是针对Ge衬底的迁移率退化机制的研究仍有许多不清晰之处，这直接制约着Ge基MOS管的迁移率提高。而在各种退化机制中，Ge基高介电常数栅结构中的电荷分布对迁移率的远程库伦散射机理的研究还少有研究，尽管此机制在Si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Ge基MOS器件栅结构中的电荷分布对迁移率的远程库仑散射机制。定量分析栅结构的电荷和界面偶极子分布，探究其物理起源；阐明其诱导的远程库仑散射机制，揭示此机制对迁移率特性的作用规律，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10 纳米技术节点，Ge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。尽管针对Ge基高介电常数栅介质MOS晶体管开展了广泛的研究，但是仍然有一些科学问题亟待更加深入的探究，以推动Ge基的产业应用。特别是针对Ge衬底的迁移率退化机制的研究仍有许多不清晰之处，这直接制约着Ge基MOS管的迁移率提高。而在各种退化机制中，Ge基高介电常数栅结构中的电荷分布对迁移率的远程库伦散射机理的研究还少有研究，本课题研究了Ge基MOS器件栅结构中的电荷分布对迁移率的远程库仑散射机制。首先定量分析Ge/GeOx/Al2O3/TiN栅结构的电荷和界面偶极子分布，并表征远程库伦散射，发现GeOx/Al2O3界面电学偶极子扮演着主要角色，偶极子导致的远程库伦散射起主导作用。实验表征Ge/GeOx/Al2O3/TiN结构中的缺陷的物理起源，发现Ge/GeOx界面和GeOx/Al2O3界面电学电学缺陷分别是Ge和O的悬挂键，并通过界面态和电荷中性能级理论解释了GeOx/Al2O3界面电学偶极子；针对上述物理起源的研究，通过退火环境的改变，成功在界面处引入钝化原子，调制了Ge/GeOx/Al2O3/TiN结构中电荷缺陷密度。实验表征了Ge衬底MOSFET的远程库伦散射机制，发现GeOx/Al2O3界面起着主导作用，通过N2退火，可以有效抑制远程库伦散射机制。并基于薛定谔-泊松自洽方程、玻尔兹曼输运、以及量子力学微扰论知识，建立了远程库伦散射机制的仿真程序，精细研究了各个电荷的远程库伦散射机制。所有这些研究成果为Ge基器件性能的进一步改善提供理论指导和技术参考。