中文摘要：

本课题围绕高k栅介质/金属栅结构CMOS器件中非常重要的界面问题，从器件结构设计和理论计算与建模的角度，重点研究各界面特性对器件性能的影响及其作用机制，以期从物理机制分析的角度为高k栅介质/金属栅结构CMOS器件的工艺优化与结构设计提供帮助。本课题的主要研究内容包括，(1)高k栅介质/金属栅系统的集成技术与界面微观特性研究。研究重点是，界面显微结构、显微化学及反应动力学等对器件性能的影响及作用机制。(2)高k栅介质/金属栅系统各界面对金属栅有效功函数的影响研究。研究重点是，明确澄清各界面对器件有效功函数及阈值电压偏移量的影响，并给出相应的工艺优化方案。(3)高k栅介质/金属栅系统的能带结构及物理机理分析研究。研究重点是，发展并建立适用于高k栅介质/金属栅结构的能带模型。另外，通过理论计算与工艺验证相结合，开展费米能级钉扎效应、界面偶极子效应及界面缺陷形成等界面问题的物理机理研究。

结论摘要：

本文研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的平带电压（VFB）偏移的物理起源。首先，本论文基于传统模型研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB。这个传统模型基于poly-Si/SiO2/Si栅结构的VFB表达式的简单线性延伸。本论文定量求解了金属栅极/高k栅介质界面的费米能级钉扎和高k栅介质/SiO2界面的电学偶极子的量值。基于界面态模型和电荷中性能级概念，TiN/HfO2界面的费米能级钉扎求得为0 V；HfO2/SiO2界面的电学偶极子通过实验求得为+0.33 V。介质接触诱导界面态和电荷中性能级概念首次被用来解释HfO2/SiO2界面的电学偶极子的物理起源。由于HfO2和SiO2介质的电荷中性能级的不同，导致电子在HfO2和SiO2之间转移，进而在HfO2/SiO2界面产生电势降，即电学偶极子。基于此模型的理论预测和实验结果是一致的。其次，本论文基于新建模型研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB。此新建模型基于整个栅结构的能带对准，即CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB的研究是基于同时考虑金属栅极/高k栅介质、高k栅介质/SiO2和SiO2/Si界面的能带对准和它们之间的相互影响。CMOS器件的金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的能带结构决定了其平带电压或者说阈值电压，所以从整个栅结构的能带对准角度考虑其平带电压是反应物理本质的。本文基于界面态理论模型，定量的建立了金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的整体能带结构，分析金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB偏移的物理起源。基于本模型的理论计算结果和实验结果是一致的。通过本新建模型可以得到如下结论TiN/HfO2/SiO2/Si栅结构的VFB相对于TiN/SiO2/Si结构的VFB出现的正向偏移、TiN/HfO2/SiO2/Si栅结构中电学偶极子以及费米能级钉扎的物理起源是因为HfO2/SiO2界面的电学偶极子。这个结论对功函数调节有着重要的指导意义。