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硕士学位论文 高K栅介质可靠性研究
摘要
当CMOS技术进入到45nm技术代以后，将需要利用高K栅介质材料替代传统的SiO2或SiNxOy栅介质以克服其不可接受的高的栅泄漏电流，其中HfO2被认为是最有希望的高K栅介质材料候选者之一。本论文针对金属栅/高K栅介质集成应用到CMOS器件的实际需求，开展了超薄HfN/HfO2栅介质结构（EOT﹤1nm）的可靠性问题的研究，取得了如下一些研究成果：
1）应力感应的漏电流研究显示，具有低陷阱电荷密度的超薄HfN/HfO2栅介质在介质击穿之前的SILC效应是可忽略的；
2）在具有低陷阱电荷密度的超薄HfN/HfO2栅介质中，其TDDB特征将是本征的而非工艺因素引入的。在高K栅介质与Si衬底间存在不可避免的界面层，高K栅介质结构的击穿将由高K体介质层和界面层共同决定；
3）在国际上，首次观察证明，在具有低陷阱电荷密度的超薄HfN/HfO2栅介质结构中，在栅注入情形下，高K栅介质的击穿机制具有应力电场依赖特征：在高应力电场下，HfO2体介质层的击穿主导整个高K栅介质的击穿；而在低应力电场下，界面层的击穿主导整个高K栅介质的击穿；
4）采用载流子分离的方法，获得了高、低应力电场下电荷俘获特征：在高的电场应力下，HfO2体介质层中空穴俘获占主导地位；在低的电场应力下，界面层的电子俘获占主导地位；
5）基于应力电场依赖的TDDB击穿特征和电荷俘获特征，结合超薄高K栅介质结构的能带结构，提出一个新的金属栅/高K栅介质击穿的模型。
本文首次发现超薄高K栅介质结构的TDDB击穿不仅是应力电压极性依赖的，而且是应力电场依赖的，因此，传统栅介质的寿命预测模型将不适于超薄高K栅介质情形，需要发展新的高K栅介质寿命预测模型来满足高K栅介质应用的需求。
关键字：
高K栅介质，时变击穿，应力感应漏电流，恒压应力，击穿机制，载流子分离，
电荷俘获