小尺寸高k柵介質(zhì)MOS器件柵極漏電特性研究

王成剛

【摘 要】伴隨著MOSFET尺寸的縮小，柵氧化層的厚度不斷減小，柵極漏電流迅速增加。高k柵介質(zhì)取代傳統(tǒng)的SiO2后可以較為有效的將柵極漏電減小，因而成為了現(xiàn)在研究比較熱點(diǎn)的問題。文章就小尺寸高k柵介質(zhì)MOS器件柵極漏電特性進(jìn)行相關(guān)的研究和分析。

【關(guān)鍵詞】小尺寸高k柵介質(zhì);MOS器件;柵極漏電特性

前言：

小尺寸介質(zhì)MOS器件是一種半導(dǎo)體元件，其內(nèi)部具有非常規(guī)整的結(jié)構(gòu)，和穩(wěn)定且可加工的特性，使得它在漏電流作用下泄漏時(shí)有更大泄露速率。由于絕緣子存在于電極表層中，所以極易被氧化而老化、脫落。文章針對小尺寸高k柵介質(zhì)MOS器件柵極漏電特性進(jìn)行研究，在器件物理基礎(chǔ)上，分析了量子效應(yīng)的影響，給出了具體的泊松方程邊界條件，應(yīng)用自洽的方法求解一維薛定諤與二維泊松方程，精確的計(jì)算出來載流子濃度分析布以及量子化能級等。

1、柵極漏電的研究意義

在日常生產(chǎn)生活中，絕大多數(shù)的金屬制品都是利用柵極泄漏來實(shí)現(xiàn)漏電，例如銅鋁薄膜、印刷電路板等。而隨著科技水平和制造工藝要求不斷提高，對材料科學(xué)研究力度加大，人們一直致力于半導(dǎo)體元件器件型腔介質(zhì)MOS器件正負(fù)零電壓測量系統(tǒng)研制成功并應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域中。但在實(shí)際應(yīng)用過程之中，該系統(tǒng)仍存在諸如精度不高、壽命短、穩(wěn)定性差等問題，使之難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，因此需要設(shè)計(jì)出MOS器件極漏電檢測系統(tǒng)。該裝置采用了低頻、寬禁帶法和差分放大倍增等方法對傳感器輸出的信號進(jìn)行有效分析，并且通過將測量值與理論值加以對比，最終得到阻性電壓，從而實(shí)現(xiàn)零泄漏。采用高k材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柵介質(zhì)怎樣能夠有效的減小柵極漏電電流以及如何提升高k柵氧化層的制備質(zhì)量一減小柵極漏電流，這些都是具有很大的研究價(jià)值和意義的。

2、柵極漏電流的研究概況

近年來，對于各種各樣的高k柵介質(zhì)材料的研究也是越來越廣泛。當(dāng)前，世界有關(guān)于高k柵介質(zhì)材料的研究已經(jīng)有了很多的報(bào)道。其中研究比較多的高k山脊之材料有CeO2、Y2O3、Ta2O5等等二元金屬氧化物及其SrTiO3（STO）與BaSrTiO3（BST）等等擁有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物材料系統(tǒng)。在這當(dāng)中，CeO2、Y2O3以及Al2O3介電常數(shù)比較低，SrTiO3（STO）與BaSrTiO3（BST）的介電常數(shù)比較高，但是其抗短溝道效應(yīng)比較差。而且，多數(shù)的高k柵材料的熱穩(wěn)定性都比較差。Al2O3雖然有比較好的熱穩(wěn)定性，但是其介電常數(shù)較低。HFO2介質(zhì)材料擁有簡單的CaF2立方晶體結(jié)構(gòu)、較高的介電常數(shù)以及比較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，還和Si具備較好的晶格匹配。因而，使用HFO2柵介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2是很好的選擇，也是目前研究較高的高k柵介質(zhì)之一。

3、柵極漏電流研究模型存有的問題

雖然柵極漏電流的相關(guān)研究得到了逐漸的重視，也都獲取了比較顯著的進(jìn)展，但是在這當(dāng)中還是有許多問題等待解決的。其一，器件的隧穿電流模型分為解析模型與數(shù)值模型，解析模型是采用一些適當(dāng)近視處理以及參數(shù)擬合，其結(jié)構(gòu)比較簡單，物理意義也比較明確，而且運(yùn)算也是比較快的，和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)符合比較好，應(yīng)用起來也是很方便的。因此，解析模型是當(dāng)前柵極漏電流研究當(dāng)中使用比較多的模型。但是隨著器件的尺寸逐漸的縮小，量子效應(yīng)所帶來的影響也越來越突出，導(dǎo)致解析模型的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，近擬處理與計(jì)算也逐漸的困難。另外，對于二維直接隧穿電流分布的計(jì)算，當(dāng)前解析模型還不具備處理的辦法。其二，自洽解模型因?yàn)槠鋼碛斜容^高的進(jìn)度和在計(jì)算的過程當(dāng)中能夠方便計(jì)入量子效應(yīng)影響，所以成為了研究較多的數(shù)值方法之一。但是當(dāng)前直接隧穿電流的自洽模型都是一維模型。伴隨著器件尺寸的逐漸縮小，短溝效應(yīng)也是逐漸的嚴(yán)重，源襯、漏襯結(jié)耗盡區(qū)的影響逐漸的不可忽略。即便漏源電壓是零時(shí)，載流子濃度沿溝道方向的分布也是與一維不相同的。其三，使用新型的高k柵介質(zhì)材料收入能夠比較有效的降低直接隧穿電流，但是因?yàn)闁叛趸瘜淤|(zhì)量不高，界面態(tài)與氧化物陷阱密度比較到，所以導(dǎo)致了多種柵極漏電流并存。為了對于主要存有的問題完善器件的制備技術(shù)，是非常有必要研究清楚哪一種漏電流在什么樣的狀況下占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)前在測量上這一功能還不能夠?qū)崿F(xiàn)，只有根據(jù)柵極漏電流的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)行相應(yīng)的分析與研究，但是當(dāng)前國內(nèi)對于這方面的研究還不是很多。總的來說，當(dāng)前還沒有一個(gè)完整的MOSFET二維直接隧穿電流模型。針對于高k柵介質(zhì)的柵極漏電流體系和制備技術(shù)仍然需要加強(qiáng)研究，爭取更早的替代傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料，推進(jìn)微電子技術(shù)的發(fā)展。

4、柵極漏電流的產(chǎn)生機(jī)制

柵極漏電電流主要是由兩個(gè)機(jī)制決定的：其一，是受壓狀態(tài)下材料內(nèi)部存在非常明顯且連續(xù)的缺陷。其二，是在介質(zhì)橫截面上，由于材料本身電阻率高、沿深度方向分布不均勻等因素，使得其呈階梯狀排列。通過研究可以發(fā)現(xiàn)具有這樣幾個(gè)特征，分別為短路型和變徑性。其中短路型引起這兩種漏電電流峰值，主要是由半導(dǎo)體器件的尺寸大小所決定。變徑性則與導(dǎo)體型相關(guān)，且隨著半導(dǎo)體器件厚度增加反而減小，并且隨著半導(dǎo)體器件厚度增加，在一定程度上可以減小導(dǎo)電能力。材料的越薄，其泄漏電流越大。當(dāng)變徑性足夠大時(shí)（例如微米級），由于受到漏極尺寸和所受損耗影響，導(dǎo)致泄漏電流急劇上升。但是，因?yàn)椴牧蟽?nèi)部存在大量細(xì)小裂紋、非均勻分布等因素，致使該缺陷逐漸惡化并趨于消失狀態(tài)最終引起泄露現(xiàn)象發(fā)生，并且使器件破損嚴(yán)重。從而，使得MOS器件型換相盒的缺口增大，在一定程度上增加了其開關(guān)頻率。在實(shí)際的柵極漏電流的構(gòu)成當(dāng)中，是具有很多種漏電機(jī)制并存的，而且是比較難分析出到底是哪一種漏電機(jī)制占有主導(dǎo)的地位，這就要求通過每一種漏電機(jī)制的原理和實(shí)際樣品的缺陷電荷密度相結(jié)合，進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。

5、HfO2柵介質(zhì)MOS電容柵極漏電實(shí)驗(yàn)研究

因?yàn)镠fO2具備比較高的介電常數(shù)、比較大的近代寬度、比較高的硅接觸勢壘以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，所以成為了目前比較熱門的高k柵介質(zhì)備選材料。但是通過實(shí)驗(yàn)得出HfO2柵介質(zhì)直接和Si接觸所產(chǎn)生的MOS器件的柵極漏電流比較大，其主要的原因就是高的HfO2/Si界面態(tài)密度與氧化我陷阱密度。所有可以使用各種各樣的退火工藝來提升界面的特性。

結(jié)語：

綜上所述，小尺寸高k柵介質(zhì)MOS器件是一種半導(dǎo)體材料，具有較低的熱導(dǎo)率和高禁帶寬度。當(dāng)發(fā)生極間泄漏時(shí)，其對應(yīng)介電常數(shù)為零。利用這一特性可以有效防止在傳輸過程中造成能量損失。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧漢漢. 高k柵介質(zhì)MOS器件界面特性及氧化物陷阱電容效應(yīng)研究[D].華中科技大學(xué)，2017.

[2]馬飛. 高k柵介質(zhì)MOS器件的特性模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]許勝國. 小尺寸高k柵介質(zhì)MOS器件柵極漏電特性研究[D].華中科技大學(xué)，2006.

（作者單位：西安衛(wèi)光科技有限公司）