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随着CMOS器件的特征尺寸越来越小和集成度的不断提高,为了提高栅极对沟道的控制能力,SiO2栅介质层的厚度也随着栅极线宽的不断缩小而越来越薄。随之出现的漏电流和功耗增大,驱动电流减小以及硼(磷)杂质隧穿导致器件性能下降等问题使得SiO2栅介质层厚度降低的下限约为1 nm。因此,寻找可取代SiO2的新型高介电栅介质材料已迫在眉睫。当前,Intel公司最新的45 nm制程的Penryn双核处理器已采用Hf基材料来取代SiO2。然而,由于Hf基材料相对低的介电常数,随着晶体管尺寸的进一步缩小,将阻碍其进一步的应用。基于此,本文选取全耗尽绝缘层上SiGe(fully depleted SiGe-on-insulator,简称为FGSGOI)、GaN等新型沟道材料,以下一代high-k候选材料La2O3、LaSiox、La2Hf2O7作为研究对象,采用脉冲激光沉积方法制备薄膜,系统研究了这些材料的热稳定性、界面反应、微观结构、能带匹配和电学性能,提出了采用表面氮化处理工艺抑制high-k薄膜与衬底之间界面层增大的方案。同时,对金属栅电极的选择进行了初步探索。主要结果如下：
⑴在高迁移率半导体FD SGOI上制备了La2O3栅介质薄膜,系统研究了其界面结构和电学性能,提出并实现了将La2O3薄膜在NH3气氛中退火的方法来抑制退火过程中界面反应并提高La2O3栅介质薄膜性能的方案。在衬底温度为400℃,7×10-5Pa条件下采用脉冲激光沉积方法制备了La2O3薄膜,退火前薄膜与FD SGOI衬底没有界面层形成。退火后有低介电常数界面层的生成,其主要成分是富Si的硅酸盐和SiO2。我们采用在NH3中退火的方法,在薄膜中注入N原子,不仅可以增加薄膜的介电常数,同时有效抑制了界面层增大。对比没有退火,在NH3中退火和在N2退火的薄膜MOS结构的电学性能可知,在NH3中退火的样品显示出了优良的电学特性,如可以忽略的电回滞现象(△VFB＜5 mV),更小的界面态密度,更小的平带电压偏移(VFB=0.68 V)和更小的漏电流特性(4×10-3A/cm2@1 V)。因此,采用在NH3中退火的方法能有效改善La2O3薄膜的电学性能,在CMOS工艺中具有重要的应用价值。
⑵系统研究了LaSiOx薄膜的微结构和电学性能,首次采用Si村底表面氮化处理的方法来抑制LaSiOx薄膜与Si衬底界面层的方法,成功改善了栅介质薄膜的性能。LaSiOx薄膜在900℃退火后依然保持非晶态,在1000℃退火后开始形成磷灰石结构的La9.33Si6O26相。采用对衬底进行NH3表面氮化处理的方法来控制LaSiOx薄膜和Si衬底之间的界面。LaSiOx薄膜横截面HRTEM和XPS分析结果表明,对于没有进行表面氮化处理的样品,在进行快速热退火前,LaSiOx薄膜与Si衬底之间没有明显的界面层产生。在经过750℃,N2中40 s的快速热退火后,薄膜和Si衬底之间会有约1.3 nm厚界面层产生。而经过表面氮化处理后,退火前后LaSiOx薄膜与Si衬底之间的界面层保持不变,均为1.1nm。LaSiOx薄膜的介电常数为22.8。对比经过表面氮化处理和没有经过表面氮化处理的LaSiOx薄膜MOS结构的电学性能可知,经过表面氮化处理的样品在退火后有更好的电学性能,包括更薄的界面层厚度,更低的CET(1.49 nm)和EOT值(1.16 nm),更小的固定电荷密度(1.0×1013 cm-2),可忽略的电回滞现象,更小的平带电压偏移(-0.31 V),在-1 V下更低的漏电流密度(1.0×10-3A/cm2)。同时,Si的NH3表面氮化处理工艺能与现实的半导体工艺兼容,这对研究新型high-k材料在MOSFET中的应用具有重要的意义和参考价值。
⑶在高温半导体GaN上沉积了LaSiOx栅介质薄膜,研究了LaSiOx薄膜与GaN衬底之间的界面结构和能带偏移,首次采用引入SiO2缓冲层的方法实现了对LaSiOx薄膜与GaN衬底之间的能带匹配的调控,有效降低了器件的漏电流。首次测出了LaSiOx薄膜与GaN衬底之间的能带补偿。提出通过引入一层超薄SiO2层来改善LaSiOx薄膜与GaN衬底之间的能带补偿的方法。XPS结果和O1s能量损失谱分析可知,LaSiOx/GaN体系的导带和价带偏移分别为1.40eV和0.88 eV。在LaSiOx和GaN之间插入一层超薄SiO2后,形成LaSiOx/SiO2/GaN结构,其导带和价带偏移分别为1.69 eV和1.83 eV。引入超薄SiO2缓冲层能有效降低薄膜的漏电流,特别是在高温下的漏电流。同时,在高温高电场下,LaSiOx/GaN和LaSiOx/SiO2/GaN结构的MOS电容器均具有Schottky发射机制特征。因此,LaSiOx薄膜在GaN基高温MOSFET器件中具有潜在的应用价值。
⑷在高迁移率半导体FD SGOI上制备了La2Hf2O7栅介质薄膜,研究了衬底NH3表面氮化处理对于La2Hf2O7薄膜与FD SGOI衬底之间的界面结构和能带偏移的影响。首次证明了NH3表面氮化处理能有效地调控半导体与栅介质间能带补偿。La2Hf2O7薄膜的结晶温度高于900℃,1000℃后才开始析出立方相的La2Hf2O7。采用NH3表面氮化处理的方法来调节La2Hf2O7薄膜与FD SGOI衬底之间的能带结构。XPS结果和O1s能量损失谱分析可知,La2Hf2O7薄膜的禁带宽度为5.72 eV,La2Hf2O7/FD SGOI体系的导带和价带补偿分别为1.49eV和3.25 eV。对FD SGOI衬底进行NH3表面氮化处理后,La2Hf2O7/FD SGOI体系的导带和价带补偿发生了偏移。而且随着NH3表面氮化温度的提高,能带偏移得更明显。经过NH3表面氮化处理后La2Hf2O7/FD SGOI的导带和价带补偿变得更加对称,意味着NH3表面氮化处理是一种很好的调节能带补偿的方法。退火后,La2Hf2O7/FD SGOI体系价带项随着退火温度的升高向高能方向偏移。
⑸金属栅电极Ru0.85Ta0.15应用的探索。采用Ru0.85Ta0.15作为pMOS的金属栅电极,以(HfO2)0.6(SiO2)0.4薄膜作为栅介质进行了研究。(HfO2)0.6(SiO2)0.4薄膜在1000℃后才开始结晶,析出的是四方相HfO2晶粒。AEM的结果显示,在退火前,薄膜的RMS值为0.303 nm,经过700℃,N2中快速热退火处理后,其RMS值为0.265 nm。XPS结果表明,400℃,6x10-5Pa条件下制备的(HfO2)0.6(SiO2)0.4薄膜在界面处会析出非化学计量比的HfOx,生成Hf-silicide。在经过700℃,N2中快速热退火40 s后,薄膜中的Hf-silicide完转化为Hf-silicate。对Ru0.85Ta0.15/(HfO2)0.6(SiO2)0.4/SiMOS结构的电学性能测试可知,在经过700℃,N2中快速热退火处理后,由于形成富Si的硅酸盐,薄膜的EOT增加,但与此同时,薄膜的平带电压、漏电流密度得到了很好的改善。因此,Ru0.85Ta0.15作为采用high-k材料MOSFET器件的栅电极具有潜在的应用价值。