ALD淀積高k柵介質(zhì)材料與器件特性研究.pdf

1、 隨著大規(guī)模集成電路VLSI (Very Large Scale Integrated circuits)技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體器件的特征尺寸遵循著摩爾定律不斷地減小，在進(jìn)入到45nm工藝節(jié)點(diǎn)下，MOS 晶體管的柵氧化層的等效厚度降低到了 1nm 左右，如果仍采用常規(guī)的SiO2柵介質(zhì)，將帶來不可接受的柵漏電流，并引起可靠性下降等嚴(yán)重問題，這給集成電路的的進(jìn)一步發(fā)展帶來了巨大的阻礙，意味著傳統(tǒng)的 SiO2作為器件的柵介質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了物理極

2、限。解決這個(gè)問題的唯一辦法是用具有較高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料取代SiO2用作柵介質(zhì)層。高k柵介質(zhì)可以在保持等效厚度不變的條件下增加?xùn)沤橘|(zhì)層的物理厚度，可以大大減小直接隧穿效應(yīng)和柵介質(zhì)層承受的電場(chǎng)強(qiáng)度。本文對(duì)高k柵介質(zhì)材料與器件進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，取得的主要研究成果如下：
1. 對(duì)ALD生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)得出了生長(zhǎng)溫度、pluse time、purge time和氧化劑對(duì)使用ALD設(shè)備生長(zhǎng)高k柵介質(zhì)材料的影響。結(jié)果表明

3、，只有當(dāng)循環(huán)數(shù)大于某一數(shù)值后，生長(zhǎng)速率才基本保持穩(wěn)定。不同工藝參數(shù)和氧化劑對(duì)使用ALD 設(shè)備生長(zhǎng)的柵介質(zhì)材料影響較大，主要體現(xiàn)在雜質(zhì)含量、高溫特性、原子化學(xué)計(jì)量比和平帶電壓表現(xiàn)出了較大的差異。在HfO2和SiO2界面采用Al預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行平帶電壓調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到閾值電壓調(diào)節(jié)的目的，實(shí)驗(yàn)證明，Al 預(yù)處理技術(shù)可以對(duì)高k柵器件的閾值電壓進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)。
2. 通過對(duì)橢偏測(cè)試結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，得到了高k介質(zhì)的禁帶寬度。受量子限域

4、效應(yīng)的影響，介質(zhì)的禁帶寬度與厚度成反比關(guān)系，并且隨著厚度的增加，禁帶寬度趨于穩(wěn)定；退火后介質(zhì)的禁帶寬度會(huì)略微增大。與H2O生長(zhǎng)的HfO2相比， O3作為氧源生長(zhǎng)的HfO2的禁帶寬度要略小，但是生長(zhǎng)溫度對(duì)O3作為氧源生長(zhǎng)的HfO2的禁帶寬度有較大影響。由于高k柵結(jié)構(gòu)價(jià)帶差和導(dǎo)帶差的重要性，利用XPS譜圖，結(jié)合價(jià)帶譜以及橢偏對(duì)不同厚度 HfO2 禁帶寬度的測(cè)量結(jié)果，對(duì)不同厚度HfO2的導(dǎo)帶差和價(jià)帶差進(jìn)行了計(jì)算，得到了精確的HfO2-Si體系

5、的能帶結(jié)構(gòu)。
3. 采用ALD淀積工藝生長(zhǎng)了高k柵介質(zhì)薄膜，制備了相應(yīng)的高k柵介質(zhì)器件，對(duì)高k柵器件的I-V漏電機(jī)制進(jìn)行了研究和分析。研究了ALD淀積工藝生長(zhǎng)的高k柵MOS器件中的頻率色散效應(yīng)。根據(jù)樣品的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高頻條件下積累區(qū)電容出現(xiàn)了頻率色散現(xiàn)象。針對(duì)雙頻C-V法測(cè)量高k柵MOS電容中制備工藝和測(cè)量設(shè)備引入的寄生效應(yīng)，給出了改進(jìn)的等效電路模型，消除了頻率色散效應(yīng)。
4. 分析了不同退火溫度和電應(yīng)力對(duì)

6、HfO2高k柵介質(zhì)應(yīng)變Si和應(yīng)變SiGe MOS器件的特性的影響。對(duì)比了同樣?xùn)叛鯇雍穸鹊腍fO2 Si、HfO2應(yīng)變Si、應(yīng)變SiGe以及HfO2 MOS器件的柵電流，受氧化層勢(shì)壘高度和界面態(tài)密度的影響，HfO2應(yīng)變Si MOS器件中的柵漏電流最小，而HfO2應(yīng)變SiGe MOS器件中的柵漏電流最大。分析了電應(yīng)力對(duì)HfO2應(yīng)變SiGe和HfO2應(yīng)變Si MOS器件柵極I-V特性的影響，發(fā)現(xiàn)正壓應(yīng)力會(huì)使得 HfO2應(yīng)變器件的柵漏電流減小,

7、 而負(fù)壓應(yīng)力對(duì)器件柵極I-V特性影響不大。
5. 通過結(jié)合主要的散射機(jī)制極化光學(xué)聲子散射和聲學(xué)聲子散射，經(jīng)過系綜蒙特卡羅，系統(tǒng)地研究了高k柵介質(zhì)HfO2中電子高場(chǎng)輸運(yùn)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，盡管聲學(xué)聲子散射對(duì)能量弛豫沒有貢獻(xiàn)，但由于在電子能量比較高的時(shí)候，聲學(xué)聲子散射率急劇增加，可以極大的增加電子在通過HfO2介質(zhì)時(shí)的運(yùn)行距離，增加了電子在經(jīng)過柵介質(zhì)時(shí)候發(fā)生光學(xué)聲子散射的幾率，使得HfO2高k柵介質(zhì)可以在較高的電場(chǎng)下仍然能保持系統(tǒng)