【摘要】：高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料在集成電路金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件和寬禁帶半導(dǎo)體功率器件中的作用極其重要。當器件特征尺寸降至45nm以下時,要求MOS結(jié)構(gòu)柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度保持在10?以下,傳統(tǒng)的二氧化硅結(jié)構(gòu)將無法滿足器件的性能要求,需要在柵介質(zhì)層中引入高介電常數(shù)材料,以達到保證MOSFET特征尺寸持續(xù)縮小的目標。而在半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域,以高電子遷移率晶體管(HEMT)器件為例,為了在提高器件抗擊穿特性的同時保證器件對溝道的控制能力,高介電常數(shù)材料的引入亦成為必然。本文研究的高介電常數(shù)材料為La2O3和Y2O3,它們被認為是下一代高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料的候選者,通過大量的實踐與理論分析,主要研究結(jié)果如下:1.通過原子層淀積技術(shù),研究了在AlGaN/GaN外延層上制備了La/Al生長循環(huán)比不同的高介電常數(shù)Al2O3/La2O3疊柵介質(zhì)材料樣品的特性。橢圓偏振儀和原子力顯微鏡(AFM)的測試結(jié)果表明,在總的生長循環(huán)數(shù)相同的前提下,材料的厚度基本保持一致,所有樣品的表面粗超度的均方根(RMS)均小于0.47nm。隨著La/Al生長循環(huán)比的降低,薄膜中的Al2O3增多,樣品的表面粗糙度減小。這說明疊柵材料中的Al2O3組分能夠很好地改善柵介質(zhì)材料的均勻性,原因是由于Al2O3的吸濕性較弱,當薄膜中Al2O3的組分較多時,由于La2O3的吸濕性所引起的材料表面形貌變化會變?nèi)?使材料的均勻性得到改善。電容-電壓(C-V)測試表明樣品的介電常數(shù)隨著La/Al生長循環(huán)比的減小而顯著降低,分別為20,17,13和9。這是由于La2O3組分吸收了較多的水汽,形成了La(OH)3,導(dǎo)致材料的介電常數(shù)急劇下降。隨著La/Al生長循環(huán)比的降低,樣品的平帶電壓出現(xiàn)負向漂移。通過XPS分析,發(fā)現(xiàn)在Al2O3/La2O3界面形成了電偶極子層,偶極子在介質(zhì)中的位置不同解釋了MOS電容平帶電壓負向漂移的原因。2.在P型硅襯底上制備了La/Al生長循環(huán)比不同的高介電常數(shù)Al2O3/La2O3疊柵介質(zhì)材料樣品。結(jié)果表明,不同La/Al生長循環(huán)比的材料樣品的厚度基本一致。表面粗糙度的均方根均小于0.65nm。隨著La/Al生長循環(huán)比的降低,樣品的表面粗糙度減小且平帶電壓發(fā)生負向漂移。接著,利用本文第三章中所提出的電偶極子層理論,解釋了平帶電壓負向漂移的原因。3.在P型硅襯底上制備了高介電常數(shù)Y2O3/Al2O3疊柵介質(zhì)材料。其中,Y2O3通過磁控濺射技術(shù)制備。實驗表明,相較于ALD技術(shù),磁控濺射法會對薄膜的表面造成較大的損傷。通過C-V曲線發(fā)現(xiàn),相比于直接將Y2O3制備在硅襯底上,在Y2O3與襯底間引入由ALD技術(shù)制備的Al2O3可以顯著提升樣品積累區(qū)電容的值并消除C-V曲線的回滯。對樣品進行XPS分析后,發(fā)現(xiàn)高溫退火之后,對于Y2O3直接與襯底接觸的樣片,在其襯底界面處有釔硅酸鹽結(jié)構(gòu)生成,這種結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)較低,導(dǎo)致電容值下降并引入了額外的氧化層陷阱電荷。接著,通過電導(dǎo)法計算了樣品的界面陷阱電荷密度,結(jié)論是,Al2O3界面層的引入將導(dǎo)致界面陷阱電荷密度的增加。進一步,制備了Y2O3/La2O3疊柵介質(zhì)材料樣品。相比于Al2O3/La2O3疊柵材料,該樣品的表面粗糙度較大。C-V曲線表明,樣品的介電常數(shù)高于Al2O3/La2O3疊柵材料。但這種結(jié)構(gòu)中的氧化層陷阱電荷和界面陷阱電荷的密度均相對較高。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

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