Hf基高k棚介質(zhì)的界面調(diào)控及MOS器件性能優(yōu)化.pdf

1、MOSFET器件作為集成電路的基本單元，其器件特征尺寸隨集成電路的持續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)不斷縮小的趨勢(shì)。MOSFET中的柵介質(zhì)材料在45nm半導(dǎo)體制程以前均采用傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)薄膜，借助SiO2厚度的不斷降低來(lái)滿足柵電容的等比例縮小。當(dāng)SiO2的厚度減小至極限厚度0.7nm時(shí)，無(wú)法繼續(xù)減薄，在45nm及以后制程均采用介電常數(shù)k大于3.9（SiO2的介電常數(shù)）的高k柵介質(zhì)材料來(lái)滿足柵電容的等比例縮小。和SiO2相比，在保持柵電容一致的情況下，高

2、k柵介質(zhì)的物理厚度高出SiO2好幾倍，有助于降低器件的漏電流。隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，特別是10nm制程以后，集成電路需要用高遷移率溝道材料來(lái)改善高k柵介質(zhì)對(duì)溝道材料載流子的散射現(xiàn)象以及滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)高驅(qū)動(dòng)能力的需求。此外，新型器件結(jié)構(gòu)也在積極研發(fā)中，以增強(qiáng)小尺寸下柵極電壓對(duì)溝道電導(dǎo)的控制能力。本文以Gd元素?fù)诫s的HfO2(HGO)薄膜作為柵介質(zhì)材料，以Si和GaAs作為襯底材料。研究不同Gd摻雜濃度對(duì)HGO/Si疊層?xùn)诺奈⒔Y(jié)構(gòu)、成

3、分、光學(xué)和電學(xué)性能影響以及GaAs預(yù)處理進(jìn)程、不同退火溫度、Al2O3鈍化層厚度、電極退火溫度對(duì)HGO/GaAs柵堆棧結(jié)構(gòu)的界面和電學(xué)性能影響。具體研究結(jié)果如下:
　　(1)Gd濺射功率對(duì)HGO薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Gd元素?fù)饺際fO2可以改變薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，30W的Gd濺射功率（EDS能譜算出Gd元素的摻雜濃度為23％）使HGO薄膜呈立方相晶體結(jié)構(gòu)。大于30W的濺射功率使HGO薄膜的晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致MOS電容

4、器件對(duì)應(yīng)的C-V曲線的遲滯突然增大。光學(xué)結(jié)果表明，HGO薄膜的光學(xué)帶隙隨Gd濺射功率的升高而增加。帶隙增加可能是由于HGO薄膜里的氧空位降低導(dǎo)致HGO薄膜的帶隙中局域態(tài)密度降低，因而帶隙值增大。電學(xué)C-V曲線中提取的平帶電壓值不斷減小，說(shuō)明HGO薄膜中氧空位隨Gd摻雜濃度的增加而降低。此外，30W的Gd濺射功率下構(gòu)筑的Al/HGO/Si/AlMOS電容器有最小的頻率色散。綜合看來(lái)，30W的Gd濺射功率，即Gd的摻雜濃度為23％時(shí)，HGO

5、薄膜的性能最佳。
　　(2)硫鈍化進(jìn)程和退火溫度對(duì)HGO/GaAs柵堆棧結(jié)構(gòu)的界面和電學(xué)性能影響。由于GaAs的表面活性極強(qiáng)，沉積薄膜之前需要對(duì)其進(jìn)行有效的鈍化。硫鈍化進(jìn)程實(shí)驗(yàn)表明在經(jīng)過(guò)有機(jī)清洗、酸洗、硫化氨鈍化三步清洗的GaAs襯底上沉積的HGO薄膜，其柵堆棧結(jié)構(gòu)中的界面物質(zhì)(AsOx、GaOx、As°)最少但仍未完全消除、電學(xué)性能得到優(yōu)化，表明硫鈍化有利于HGO/GaAs的界面及MOS器件性能的優(yōu)化，但僅僅只有GaAs的預(yù)處理

6、并不能有效的去除界面物質(zhì)。適當(dāng)?shù)谋∧ね嘶鹩兄趦?yōu)化界面和電學(xué)性能，退火實(shí)驗(yàn)表明，600℃退火的HGO/GaAs柵堆棧結(jié)構(gòu)界面處的Ga-O鍵和As°完全消除，且電學(xué)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。
　　(3)Al2O3鈍化層厚度對(duì)HGO/GaAs柵堆棧結(jié)構(gòu)的界面和電學(xué)性能調(diào)控，以及采用Forming gas退火對(duì)MOS電容器的電學(xué)性能優(yōu)化調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Al2O3鈍化層對(duì)AsOx、GaOx有明顯的抑制作用，20周期的Al2O3鈍化層對(duì)低k界面

7、層的抑制效果最佳并且引入Al2O3鈍化層可提高導(dǎo)帶偏移值，有助于降低漏電流。但Al2O3鈍化層對(duì)電學(xué)性能的改善并不明顯，整體電學(xué)C-V曲線從耗盡區(qū)過(guò)渡到積累區(qū)呈現(xiàn)出較大的“stretch-out”、較小的斜率，反型區(qū)曲線有明顯的交叉現(xiàn)象以及積累區(qū)電容不夠飽和，均表明這些樣品有較高的界面陷阱密度和慢界面態(tài)密度。采用Forming gas退火方式，以中和薄膜中的陷阱電荷和優(yōu)化金屬電極和薄膜之間的接觸。退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，300℃電極退火下的M