【摘要】：根據(jù)摩爾定律可知,互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CMOSFET)器件隨著特征尺寸的不斷縮小,傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)由于達(dá)到物理極限已經(jīng)阻礙了CMOSFET的微型化,器件的高漏流嚴(yán)重惡化了器件的性能,降低了器件的服役周期。為了避免量子隧穿效應(yīng)以及降低漏電流,選取合適的柵介質(zhì)材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2成了首要解決的問(wèn)題。Hf基高k柵介質(zhì)材料具有較大帶隙,較薄的等效氧化層厚度,低漏電流密度,熱穩(wěn)定性高等等優(yōu)異物理特性在CMOS器件研究中引起了廣泛的關(guān)注。但由于高k柵介質(zhì)薄膜與襯底界面處會(huì)形成庫(kù)侖和聲子散射,電子遷移率不可避免地會(huì)降低,大大降低了CMOSFET器件的運(yùn)行速度,所以選取高載流子遷移率材料替代Si將對(duì)集成電路的發(fā)展有很大改善。制備Hf基高k柵介質(zhì)材料的方法主要有原子層沉積法、溶膠凝膠法、磁控濺射法等。相比較而言,原子層沉積方法能制備致密精確的薄膜,但生長(zhǎng)速率極慢;溶膠凝膠法成本低、易操作,但卻較難控制薄膜的均勻度;磁控濺射法制備的薄膜質(zhì)量相對(duì)較好,操作方便也節(jié)約時(shí)間,具有很大的應(yīng)用前景。本文采用成本費(fèi)用較低的磁控濺射法制備了稀土元素Y摻雜HfO2柵介質(zhì)薄膜(HYO),分別構(gòu)筑了HYO/Si、HYO/GaAs疊層?xùn)哦褩＝Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了不同退火溫度、鈍化層厚度及電極退火溫度對(duì)薄膜界面、光學(xué)以及電學(xué)性能的影響。本文主要研究?jī)?nèi)容和分析結(jié)果如下:(1)采用磁控濺射法制備了HYO/Si柵堆棧結(jié)構(gòu),探究了不同退火溫度對(duì)HYO柵介質(zhì)微結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)元素Y摻雜到HfO2薄膜中,薄膜微結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较嘟Y(jié)晶態(tài),且不隨退火溫度的變化而變化,表明摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。電學(xué)研究表明:退火400℃的HYO柵介質(zhì)薄膜的漏電流密度最小,頻散最低,介電常數(shù)較大以及氧化陷阱電荷較小,這主要貢獻(xiàn)于Y摻雜抑制了HYO柵介質(zhì)薄膜與Si襯底之間的氧擴(kuò)散和界面反應(yīng),電學(xué)性能得以?xún)?yōu)化。(2)采用原子層沉積和磁控濺射法制備了Al2O3鈍化層以及HYO柵介質(zhì)薄膜,探究了不同鈍化層厚度對(duì)HYO/Si柵堆棧結(jié)構(gòu)的界面以及電學(xué)影響,同時(shí)探究了不同電極退火溫度對(duì)HYO/Al2O3/Si柵堆棧結(jié)構(gòu)的界面和電學(xué)性能的調(diào)制。結(jié)果表明:1nm Al2O3鈍化層以及250℃的電極退火處理能更一步提高HYO/Al2O3/Si柵堆棧結(jié)構(gòu)的介電常數(shù),優(yōu)化界面缺陷態(tài),減少氧化陷阱電荷密度以及邊界陷阱電荷密度,降低漏電流密度。漏電流機(jī)制分析表明,肖特基發(fā)射不占主導(dǎo)地位,中低電場(chǎng)符合P-F發(fā)射機(jī)制;高電場(chǎng)符合直接隧穿。(3)采用原子層沉積和磁控濺射法構(gòu)筑了HYO/TMA/GaAs疊層?xùn)哦褩＝Y(jié)構(gòu),探究了不同TMA脈沖周期數(shù)對(duì)HYO/GaAs柵介質(zhì)界面及電學(xué)的影響,同時(shí)探究了不同膜退火溫度對(duì)HYO/TMA/GaAs疊層?xùn)哦褩＝Y(jié)構(gòu)的界面和電學(xué)特性的影響。結(jié)果表明:20個(gè)TMA脈沖周期以及300℃快速熱退火處理有效抑制了HYO/GaAs疊層?xùn)沤缑嫣嶨a和As氧化物的生長(zhǎng),鈍化了界面的化學(xué)反應(yīng),優(yōu)化了電學(xué)性能。漏流機(jī)制分析表明,低溫漏流主要由P-F發(fā)射、肖特基發(fā)射、FN隧穿機(jī)制共同作用。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.2
【圖文】：

＿！５Ｂｉｌ�。椤隆义蠄D１－１集成電路發(fā)展中摩爾定律的沿進(jìn)路線(xiàn)圖逡逑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的工作原理及面臨的問(wèn)題逡逑金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)ＭＯＳＦＥＴ逡逑（Ｍｅｔａ丨－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋Ｈｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ邋Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是集成電路中最常見(jiàn)的兀器逡逑件，其多數(shù)在模擬電路以及數(shù)字電路中使用。目前ＭＯＳＦＥＴ的柵極材料為金屬，逡逑取代了早期使用的多晶硅�；诓煌臏系罉O性，電子占多數(shù)的Ｎ型器件稱(chēng)為逡逑ＮＭＯＳＦＥＴ，而空穴占多數(shù)的Ｐ型稱(chēng)為ＰＭＯＳＦＥＴ�。保福保簇�。圖１－２為ＭＯＳＦＥＴ器件逡逑的基本結(jié)構(gòu)圖。逡逑源極邐撕極邐讕極逡逑９邐９邐９逡逑柵介質(zhì)層逡逑Ｎ＊邐Ｎ型溝逆逡逑Ｐ型襯丨＆逡逑圖１－２邋

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邐邐逡逑稀土元素（ＲＥ）的摻雜將有助于減少薄膜中的缺陷，穩(wěn)定器件性能。常見(jiàn)的稀逡逑土元素有釔（Ｙ），鉭（Ｔａ），鏑（Ｇｄ），釓（Ｄｙ）等。圖１－４為Ｈｆ０２的三種逡逑不同晶體結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑ＨｆＯ：薄膜的三種晶相分別為單斜相（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ）、四方相（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）和逡逑立方相（ｃｕｂｉｃ）。當(dāng)薄膜晶相呈現(xiàn)四方相與立方相時(shí)，其介電常數(shù)相對(duì)較高，逡逑但這兩種晶相的形成需溫度達(dá)到２０７３邋Ｋ和２９００邋Ｋ以上。據(jù)文獻(xiàn)記載，通過(guò)摻雜逡逑元素Ｙ可在相對(duì)較低的溫度下獲得立方相的Ｈｆ０２。根據(jù)第一性原理分析得出，逡逑由于Ｙ的原子半徑比Ｈｆ大，立方相與單斜相之間的能量差減小，摩爾體積增大，逡逑Ｙ原子與０原子間形成的結(jié)合鍵鍵長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，ＨｆＣｈ晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较啵瑥亩义峡s小之間的尺寸錯(cuò)配度｜３６］。此外，當(dāng)Ｙ的正３價(jià)原子替代Ｈｆ的正４價(jià)原子后，逡逑為了保持界面的電中性，２個(gè)Ｙ原子的引入將會(huì)在晶格點(diǎn)陣上有１個(gè)氧空位的形逡逑成

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本文編號(hào)：2798246