【摘 要】
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随着微电子技术的发展，金属栅/高k栅介质结构取代传统的多晶硅/SiO2(或SiON)结构成为必然趋势。根据国际半导体技术发展路线图，在2007年作为主流技术引用的45nm节点技术将需要采用金属栅/高k栅介质结构。金属栅/高k栅介质结构与CMOS集成的相关问题，包括金属栅/高K栅介质的可靠性问题成为当前微电子技术急待解决的关键科学技术问题之一。本论文针对金属栅/高K栅介质结构MOS器件可靠性问题研究
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随着微电子技术的发展，金属栅/高k栅介质结构取代传统的多晶硅/SiO2(或SiON)结构成为必然趋势。根据国际半导体技术发展路线图，在2007年作为主流技术引用的45nm节点技术将需要采用金属栅/高k栅介质结构。金属栅/高k栅介质结构与CMOS集成的相关问题，包括金属栅/高K栅介质的可靠性问题成为当前微电子技术急待解决的关键科学技术问题之一。本论文针对金属栅/高K栅介质结构MOS器件可靠性问题研究的需要，集中研究了具有TaN/HfN/HfO2栅结构MOS器件的时变击穿(TDDB)和偏置温度不稳定性(BTI)等可靠性问题及其与工艺的依赖性以及相关的物理机制，并建立了相关的模型。主要的研究内容和所取得的主要成果有：
(一)：研究了高温工艺制备的超薄(EOT＜1nm)的TaN/HfN/HfO2栅介质器件的TDDB特征，指出了高温工艺制备的HfO2高K栅介质结构由于具有低的原生缺陷密度，所观察的TDDB特征将与具体工艺无关，是本征的；
(二)：提出了一种关于电场依赖的TDDB新机制，指出了在高、低电场应力下，超薄的HfO2高K栅介质结构的TDDB击穿将分别是高k介质层和界面层主导的新机制；
(三)：研究了高温工艺制备的TaN/HfN/HfO2栅介质MOS器件的BTI特征，演示了在具有低原生缺陷的高K栅介质MOS器件中，其BTI特性主要取决于所加电场应力的极性而与衬底类型关系不大；
(四)：系统研究了低原生缺陷的TaN/HfN/HfO2栅介质pMOS器件的NBTI特征和机制，验证并指出，由于具有低的原生缺陷密度，其NBTI具有与SiO2栅介质pMOS器件类似的NBTI本征特征，满足所谓的反应一扩散模型规律，即引起NBTI的机制源于衬底注入的空穴诱导的界面反应引发了Si衬底界面处Si-H键的断裂和H原子向介质层内部的扩散；
(五)：系统研究了低原生缺陷的TaN/HfN/HfO2栅介质nMOS器件的PBTI特征和机制，验证并指出，由于在高K栅介质层中只存在低的原生缺陷密度，nMOS器件的PBTI特征满足改进的界面反应-扩散模型，在国际上首次提出了源于衬底注入的电子在高K栅介质与Si衬底的SiOx基界面层的俘获诱导的Si-O键的断裂和O-离子向介质层内部扩散的新机制；
(六)：进一步指出了，利用高温工艺制备的高K栅介质结构，可获得低的原生缺陷密度，具有低的原生缺陷密度的金属栅/高K栅介质结构的MOS器件具有本征的TDDB和BTI特征，与具体的工艺无关。
本论文所取得的研究成果将为进一步理解高K栅介质器件的可靠性物理机制、改善金属栅/高K栅介质结构MOS器件的可靠性，提供有价值的参考和指导作用。
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