铪基叠层栅的构筑、界面调控及性能优化

发布时间：2020-08-20 17:32

【摘要】：根据摩尔定律可知,互补型金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOSFET)器件随着特征尺寸的不断缩小,传统的SiO2栅介质由于达到物理极限已经阻碍了CMOSFET的微型化,器件的高漏流严重恶化了器件的性能,降低了器件的服役周期。为了避免量子隧穿效应以及降低漏电流,选取合适的栅介质材料来代替传统的SiO2成了首要解决的问题。Hf基高k栅介质材料具有较大带隙,较薄的等效氧化层厚度,低漏电流密度,热稳定性高等等优异物理特性在CMOS器件研究中引起了广泛的关注。但由于高k栅介质薄膜与衬底界面处会形成库仑和声子散射,电子迁移率不可避免地会降低,大大降低了CMOSFET器件的运行速度,所以选取高载流子迁移率材料替代Si将对集成电路的发展有很大改善。制备Hf基高k栅介质材料的方法主要有原子层沉积法、溶胶凝胶法、磁控溅射法等。相比较而言,原子层沉积方法能制备致密精确的薄膜,但生长速率极慢;溶胶凝胶法成本低、易操作,但却较难控制薄膜的均匀度;磁控溅射法制备的薄膜质量相对较好,操作方便也节约时间,具有很大的应用前景。本文采用成本费用较低的磁控溅射法制备了稀土元素Y掺杂HfO2栅介质薄膜(HYO),分别构筑了HYO/Si、HYO/GaAs叠层栅堆栈结构,系统研究了不同退火温度、钝化层厚度及电极退火温度对薄膜界面、光学以及电学性能的影响。本文主要研究内容和分析结果如下:(1)采用磁控溅射法制备了HYO/Si栅堆栈结构,探究了不同退火温度对HYO栅介质微结构、光学和电学性质的影响。实验结果表明,当元素Y掺杂到HfO2薄膜中,薄膜微结构由非晶态转变为立方相结晶态,且不随退火温度的变化而变化,表明掺杂后的薄膜结构十分稳定。电学研究表明:退火400℃的HYO栅介质薄膜的漏电流密度最小,频散最低,介电常数较大以及氧化陷阱电荷较小,这主要贡献于Y掺杂抑制了HYO栅介质薄膜与Si衬底之间的氧扩散和界面反应,电学性能得以优化。(2)采用原子层沉积和磁控溅射法制备了Al2O3钝化层以及HYO栅介质薄膜,探究了不同钝化层厚度对HYO/Si栅堆栈结构的界面以及电学影响,同时探究了不同电极退火温度对HYO/Al2O3/Si栅堆栈结构的界面和电学性能的调制。结果表明:1nm Al2O3钝化层以及250℃的电极退火处理能更一步提高HYO/Al2O3/Si栅堆栈结构的介电常数,优化界面缺陷态,减少氧化陷阱电荷密度以及边界陷阱电荷密度,降低漏电流密度。漏电流机制分析表明,肖特基发射不占主导地位,中低电场符合P-F发射机制;高电场符合直接隧穿。(3)采用原子层沉积和磁控溅射法构筑了HYO/TMA/GaAs叠层栅堆栈结构,探究了不同TMA脉冲周期数对HYO/GaAs栅介质界面及电学的影响,同时探究了不同膜退火温度对HYO/TMA/GaAs叠层栅堆栈结构的界面和电学特性的影响。结果表明:20个TMA脉冲周期以及300℃快速热退火处理有效抑制了HYO/GaAs叠层栅界面处Ga和As氧化物的生长,钝化了界面的化学反应,优化了电学性能。漏流机制分析表明,低温漏流主要由P-F发射、肖特基发射、FN隧穿机制共同作用。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

＿！５Ｂｉｌ！ｉ—Ｂ—逡逑图１－１集成电路发展中摩尔定律的沿进路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｒｏａｄｍａｐ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｍｏｏｒｅ＇ｓ邋Ｌａｗ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｃｉｒｃｕｉｔｓ逡逑１．２邋ＭＯＳＦＥＴ的工作原理及面临的问题逡逑金属－氧化物－半导体场效应晶体管简称ＭＯＳＦＥＴ逡逑（Ｍｅｔａ丨－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋Ｈｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ邋Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是集成电路中最常见的兀器逡逑件，其多数在模拟电路以及数字电路中使用。目前ＭＯＳＦＥＴ的栅极材料为金属，逡逑取代了早期使用的多晶硅。基于不同的沟道极性，电子占多数的Ｎ型器件称为逡逑ＮＭＯＳＦＥＴ，而空穴占多数的Ｐ型称为ＰＭＯＳＦＥＴ！１８１４丨。图１－２为ＭＯＳＦＥＴ器件逡逑的基本结构图。逡逑源极逦撕极逦谰极逡逑９逦９逦９逡逑栅介质层逡逑Ｎ＊逦Ｎ型沟逆逡逑Ｐ型衬丨＆逡逑图１－２邋

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逦逦逡逑稀土元素（ＲＥ）的掺杂将有助于减少薄膜中的缺陷，稳定器件性能。常见的稀逡逑土元素有钇（Ｙ），钽（Ｔａ），镝（Ｇｄ），钆（Ｄｙ）等。图１－４为Ｈｆ０２的三种逡逑不同晶体结构示意图。逡逑ＨｆＯ：薄膜的三种晶相分别为单斜相（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ）、四方相（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）和逡逑立方相（ｃｕｂｉｃ）。当薄膜晶相呈现四方相与立方相时，其介电常数相对较高，逡逑但这两种晶相的形成需温度达到２０７３邋Ｋ和２９００邋Ｋ以上。据文献记载，通过掺杂逡逑元素Ｙ可在相对较低的温度下获得立方相的Ｈｆ０２。根据第一性原理分析得出，逡逑由于Ｙ的原子半径比Ｈｆ大，立方相与单斜相之间的能量差减小，摩尔体积增大，逡逑Ｙ原子与０原子间形成的结合键键长相对较长，ＨｆＣｈ晶相转变为立方相，从而逡逑缩小之间的尺寸错配度｜３６］。此外，当Ｙ的正３价原子替代Ｈｆ的正４价原子后，逡逑为了保持界面的电中性，２个Ｙ原子的引入将会在晶格点阵上有１个氧空位的形逡逑成

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