Y2O3-Si MOS電容制備及特性研究.pdf

1、Si MOS器件是集成電路中非常重要的元件，隨著電路集成度不斷提高，要求器件的特征尺寸越來(lái)越小，傳統(tǒng)SiO2柵介質(zhì)層相應(yīng)地減薄到幾個(gè)原子層的厚度，這將導(dǎo)致一系列問(wèn)題的出現(xiàn)，如柵漏電流急劇增加，器件的可靠性降低等。在此背景下，高K材料代替SiO2作為柵介質(zhì)層成為重要的解決方案之一。在眾多的高K材料中，Y2O3是具有前景的高K材料之一，其具有較大的禁帶寬度（～5.6eV），相對(duì)介電常數(shù)為15左右，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與Si具有較大的能帶帶偏及良好

2、的熱穩(wěn)定性和晶格匹配。
　　本文基于磁控濺射制備Y2O3薄膜的方法，采取不同的淀積和退火條件，在P型Si襯底上制備了8組不同的Y2O3/Si MOS電容樣品。光譜橢偏儀測(cè)試結(jié)果表明，各樣品的Y2O3介質(zhì)層厚度約為9nm。XPS分析表明，在Y2O3/Si界面處，Si存在Si*、Si1+、Si3+和Si4+多種化學(xué)價(jià)態(tài)的部分或全部，Y主要以釔硅化物的形式存在，O主要以Y-O-Si的價(jià)鍵形式存在。相比于常溫淀積Y2O3的樣品，對(duì)于襯底加

3、熱淀積Y2O3以及Y2O3進(jìn)行高溫后退火的樣品，其襯底Si原子與Y2O3介質(zhì)層原子在界面處的擴(kuò)散增強(qiáng)。能帶結(jié)構(gòu)分析表明，Y2O3與Si襯底的導(dǎo)帶帶偏ΔEc和價(jià)帶帶偏ΔEv分別為2.7eV和2.4eV。
　　C-V和I-V測(cè)試及分析結(jié)果表明，常溫下淀積Y2O3介質(zhì)層的MOS電容，其平帶電壓Vfb和遲滯電壓Vhy分別為-3.07V和0.53V，表明C-V曲線負(fù)向漂移和遲滯較大，這主要是Y2O3介質(zhì)層中較多的固定氧化層電荷Qf和氧化層陷

4、阱電荷Qot引起的；同時(shí)其界面態(tài)密度較大，介質(zhì)層的介電常數(shù)僅為6.1，整體分析表明該樣品的介質(zhì)層質(zhì)量和電容特性較差。對(duì)于常溫淀積Y2O3過(guò)程中通入4％O2的樣品，其平帶電壓負(fù)向漂移和遲滯電壓分別減少了0.53V和0.19V，說(shuō)明Y2O3淀積過(guò)程中通入少量O2能減少介質(zhì)層中的固定氧化層電荷Qf和氧化層陷阱電荷Qot；另一方面，介質(zhì)層的介電常數(shù)沒(méi)有提高，漏電特性也幾乎沒(méi)有改善。對(duì)于Y2O3淀積過(guò)程中對(duì)襯底進(jìn)行300℃、500℃加熱的樣品，其

5、遲滯電壓Vhy分別減小了0.34V和0.45V，說(shuō)明該樣品的氧化層陷阱電荷Qot減小，同時(shí)其柵漏電流也明顯減??；但其介質(zhì)層的介電常數(shù)分別為7.1和6.4，其值沒(méi)有明顯提高。Y2O3介質(zhì)層進(jìn)行400℃、500℃、600℃高溫退火的樣品，其相對(duì)介電常數(shù)分別為：11.7、10.1、10.7，其值有了明顯提高，介質(zhì)層質(zhì)量和電容特性明顯改善；同時(shí)樣品的固定氧化層電荷密度、氧化層陷阱電荷密度、界面態(tài)密度和柵漏電流隨著退火溫度的升高而減小，MOS電容