【摘要】：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Si02厚度的不斷降低來(lái)滿足柵電容的等比例縮小。當(dāng)Si02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Hf02(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、A1203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/Al MOS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-0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Al203鈍化層對(duì)AsOx、GaOx有明顯的抑制作用,20周期的Al203鈍化層對(duì)低k界面層的抑制效果最佳并且引入Al203鈍化層可提高導(dǎo)帶偏移值,有助于降低漏電流。但A12O3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MOS電容器呈現(xiàn)最好的C-V行為,有最小的“stretch-out”、Vfb和AVfb值,有陡峭的耗盡區(qū)和飽和的積累區(qū)。此外,漏流機(jī)制分析可知,常溫下主要有直接遂穿,肖特基發(fā)射,P-F發(fā)射三種漏流機(jī)制共同作用,低溫可以抑制肖特基發(fā)射、P-F發(fā)射,只有直接遂穿起作用。
【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】：2018
【分類號(hào)】：TN386

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2769542