原子層淀積鑭基高介電常數(shù)柵介質(zhì)的工藝優(yōu)化與特性研究.pdf

1、自上個世紀七十年代以來電路器件集成度按照摩爾定律的預(yù)測基本保持每十八個月翻倍，在這過去五十多年的時間里，在各個領(lǐng)域的研究者不斷提升其使用的電子器件的性能，同時降低這些電子器件的制造成本以保證定律延續(xù)。然而在MOSFET的特征尺寸縮小到22nm工藝節(jié)點以下時其柵極介質(zhì)層的等效氧化層厚度需要縮小到10?以下，這時過去集成工藝中廣泛使用的二氧化硅柵介質(zhì)無法繼續(xù)滿足MOSFET特征尺寸的繼續(xù)縮小。業(yè)界普遍認為使用具有更高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料代替

2、傳統(tǒng)二氧化硅柵介質(zhì)進行工藝集成是保證MOSFET特征尺寸進一步縮小最為可行的工藝方案，更高的介電常數(shù)將能使柵介質(zhì)層在具有更小的等效氧化層厚度的同時具有更大的實際物理厚度，這很大程度上緩解了過薄的二氧化硅柵極造成的柵極泄漏電流過大的問題。2007年，英特爾在其45nm產(chǎn)品中引入了HfO2介質(zhì)作為HKMG結(jié)構(gòu)的高介電常數(shù)柵極，2011年臺灣積體電路公司在其28nm產(chǎn)品中同樣引入了HKMG結(jié)構(gòu)以提高器件性能。然而HfO2介質(zhì)具有結(jié)晶溫度低、介

3、電常數(shù)不夠高等缺陷，因此，本文研究了被認為新一代高介電常數(shù)柵介質(zhì)候選之一的La2O3和不同La/Al原子比的La-Al-O柵介質(zhì)。通過大量的實驗與理論分析，本文得到的主要研究結(jié)果如下:
　　1.對高介電常數(shù)La2O3柵介質(zhì)的原子層淀積工藝進行了系統(tǒng)深入的研究同時系統(tǒng)分析了高介電常數(shù)La2O3柵介質(zhì)的相關(guān)特性，優(yōu)化出了高質(zhì)量的高介電常數(shù)La2O3柵介質(zhì)的工藝制備參數(shù)。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)介質(zhì)樣品的淀積溫度大于320℃時前驅(qū)體獲得過高動能脫離介

4、質(zhì)樣品表面而無法有效吸附在反應(yīng)原子上，因而降低降低了La2O3柵介質(zhì)的生長速率。當(dāng)?shù)矸e溫度在260℃到320℃之間時，La2O3柵介質(zhì)的生長速率較為穩(wěn)定，是最佳的生長溫度區(qū)間。當(dāng)氧化劑Purge Time小于5s時La2O3/SiO2柵介質(zhì)的生長速率極小影響了La2O3/SiO2柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高效制備；吹洗時間大于10s后高介電常數(shù)La2O3柵介質(zhì)的生長速率趨于飽和，大幅增加氧化劑Purge Time會略微降低La2O3/SiO2柵介質(zhì)的

5、生長速率，這可能是由于Purge Time過長，Purge Gas將淀積生成的La2O3柵介質(zhì)薄膜破壞的緣故。進行30秒800℃高溫氮氣氛圍快速熱退火后介質(zhì)樣品的電容-電壓特性曲線中的臺階和回滯均消失，這是因為高溫氮氣氛圍消除了界面處原有缺陷使原本懸掛的佳鍵重新結(jié)合,導(dǎo)致介質(zhì)樣品更加致密提升了其電學(xué)性能。退火后La2O3/SiO2柵結(jié)構(gòu)的平帶電壓負偏容值小幅下降，平帶電壓負偏主要是因為界面電荷數(shù)的減小，而退火后介質(zhì)電容的小幅下降主要是因

6、為退火的過程中界面處La2O3與SiO2發(fā)生原子擴散形成了鑭的硅化物，而鑭的硅化物介電常數(shù)較小，同時，退火后，La2O3/SiO2柵結(jié)構(gòu)的厚度由退火前的9.796納米變?yōu)橥嘶鸷蟮?2.126納米，因此柵結(jié)構(gòu)的電容值有所下降.
　　2.制備了不同La/Al原子配比的La-Al-O/SiO2柵結(jié)構(gòu)樣品并系統(tǒng)研究了不同La/Al原子配比的La-Al-O/SiO2柵結(jié)構(gòu)的各項特性，最后利用X射線光電子能譜技術(shù)分析了不同La/Al原子配比的

7、La-Al-O/SiO2疊層?xùn)诺幕瘜W(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，La-Al-O/SiO2疊層?xùn)诺纳L速率在加入Al2O3介質(zhì)后有明顯上升，均高于單一介質(zhì)的生長速率。經(jīng)分析，Al2O3介質(zhì)的引入造成了水汽的產(chǎn)生，La2O3介質(zhì)具有吸濕性，吸收水汽后生成La(OH)3增加了氧化層厚度，因此La-Al-O/SiO2疊層?xùn)诺纳L速率相比單一介質(zhì)的淀積速率均有明顯上升，而La/Al原子配比的變化并不會對介質(zhì)的淀積速率產(chǎn)生明顯影響。由AFM數(shù)據(jù)看到在La-Al

8、-O/SiO2柵結(jié)構(gòu)中引入氧化鋁介質(zhì)后其粗糙度明顯下降，有效改善了La-Al-O/SiO2柵結(jié)構(gòu)樣品的表面平整度。隨著La-Al-O/SiO2疊層?xùn)艠悠分蠥l2O3介質(zhì)比例的升高，在La3d5/2頻譜圖中La的峰值強度單調(diào)降低反應(yīng)出介質(zhì)樣品中La2O3介質(zhì)比例的減少。同時，在加入Al2O3介質(zhì)后，La-Al-O/SiO2疊層?xùn)艠悠分蠰a(OH)3的生成，可以合理解釋樣品生長速率隨La/Al比變化而變化這一現(xiàn)象。同時也合理解釋了介質(zhì)的介電

9、常數(shù)隨Al2O3介質(zhì)比例上升而快速下降。
　　3.利用橢圓偏振光譜儀對薄膜材料的帶隙測量原理研究了La2O3柵介質(zhì)薄膜以及不同La/Al原子配比的La-Al-O柵介質(zhì)的帶隙寬度。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)薄膜厚度大于8納米時La2O3介質(zhì)薄膜的帶隙大小保持在大約5.5電子伏左右，La2O3介質(zhì)的厚度在繼續(xù)減小時其的帶隙寬度則由于量子限域效應(yīng)的影響而不斷增加。30秒800℃高溫氮氣氛圍快速熱退火后將導(dǎo)致La2O3介質(zhì)的帶隙寬度小幅增加，而淀積