遠程等離子體輔助原子層沉積技術制備HfO2薄膜及HfO2-Ge界面性質研究.pdf

1、隨著器件等比例縮小難度和成本的不斷增加，以Si作為溝道材料SiO2作為柵介質的傳統CMOS發(fā)展接近物理極限，高K介質HfO2柵高遷移率Ge溝道MOSFET成為未來CMOS集成電路技術發(fā)展的潛在選擇之一。然而metal/HfO2/Ge結構MOS器件存在界面態(tài)密度高、柵極漏電流大等問題，因此研究高質量HfO2薄膜生長技術和減少HfO2/Ge界面態(tài)是提高metal/HfO2/Ge MOS器件性能的有效途徑之一。
　　本文采用遠程等離子體

2、輔助原子層沉積法(RP-ALD)生長HfO2薄膜，優(yōu)化了HfO2薄膜的生長（溫度）條件，研究了快速熱退火(RTA)處理對薄膜性質的影響;采用原子層沉積系統(ALD)原位N2等離子體預處理法減小了HfO2/Ge界面態(tài)密度，并獲得了較小的電容等效氧化層厚度(CET)。本文的主要工作內容和取得的結果如下:
　　1.優(yōu)化了RP-ALD生長HfO2薄膜的條件。當反應腔溫度為250℃時生長的HfO2薄膜質量和電學性能最優(yōu)。在該溫度下，HfO2

3、生長速率為0.0894nm/cycle，薄膜表面RMS小于0.4nm，元素O/Hf組分比為2.104且不同深度薄膜組分均勻一致。此外，HfO2薄膜中含有微量的N元素，相應的化學鍵為Hf-O-N鍵。
　　2.研究了快速熱退火(RTA)對HfO2薄膜性質的影響。結果顯示RTA處理可以修復HfO2薄膜中氧化物陷阱等缺陷，降低HfO2介質薄膜的軟擊穿現象發(fā)生的幾率。其中RTA處理溫度為400℃和450℃時，HfO2薄膜的電學性質較為理想，

4、介電常數較大;RTA處理溫度為500℃時，HfO2薄膜多晶化程度較高，引起介電常數下降。
　　3.研究了N2等離子體預處理對HfO2/Ge界面性質的影響。結果表明N2等離子體預處理Ge表面，可以有效去除Ge表面的不完全氧化層(GeOx)，從而降低高K介質與Ge界面態(tài)密度。將HfO2/n-Ge界面態(tài)密度減小至5.5×1011 eV-1cm-2，而HfO2/p-Ge界面態(tài)密度減小至1.7×1012 eV-1cm-2。同時也減小了Ge