原子層淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為硅基集成電路核心器件的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的特征尺寸一直按照摩爾定律不斷地縮小。然而，當(dāng)傳統(tǒng)柵介質(zhì)Si02的厚度減小到原子尺寸時(shí)，由于量子隧穿效應(yīng)的影響，Si02將失去介電性能，致使器件無(wú)法正常工作。為了解決這些問(wèn)題，目前許多新的工藝和材料正在得到廣泛地研究。在柵介質(zhì)和襯底材料的研究上主要有：1)采用高介電常數(shù)(High-k)的材料來(lái)替代Si02作為柵介質(zhì)層；2)采用具有更高載流子遷

2、移率的襯底材料，例如III-V族半導(dǎo)體、Ge、SiGe等。 要取代Si02成為MOSFET器件里的柵介質(zhì)，High-榭料必須具有與Si02／Si系統(tǒng)相似的性質(zhì)，并且與當(dāng)前的半導(dǎo)體制造工藝兼容。因此，作為候選的High-k材料，要滿足以下幾方面的要求：1)具有高的介電常數(shù)和高的勢(shì)壘；2)在Si上有良好的熱穩(wěn)定性；3)薄膜是非晶態(tài)的；4)具有良好的界面品質(zhì)；5)很好的工藝兼容性等。而對(duì)于具有更高載流子遷移率的III-V族半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，

3、GaAs襯底是被研究的最多的。不過(guò)，GaAs是二元化合物，其表面的自然氧化層不僅不能像Si那樣形成對(duì)表面的保護(hù)作用，反而會(huì)引入太多的表面態(tài)，使費(fèi)米能級(jí)釘扎，大大限制了砷化鎵器件的發(fā)展。 原子層淀積(ALD)是最有可能制備高質(zhì)量High-k介質(zhì)層的方法，主要是因?yàn)樗L(zhǎng)薄膜是自限制的，能精確地控制薄膜的厚度和化學(xué)組分，而且淀積的薄膜具有很好的均勻性和保形性。因此本文首先詳細(xì)地介紹了原子層淀積薄膜的原理及其表面化學(xué)。接著針對(duì)目前半導(dǎo)

4、體技術(shù)發(fā)展中面臨的問(wèn)題，我們?cè)赟i和GaAs兩種襯底上，以三甲基鋁(TMA)和水(H20)為反應(yīng)前體，用原子層淀積技術(shù)生長(zhǎng)了高介電常數(shù)的A1203介質(zhì)層。由于直接在半導(dǎo)體襯底上淀積高介電常數(shù)材料柵介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，比如產(chǎn)生的界面層會(huì)使等效氧化層厚度上升，界面缺陷會(huì)造成器件電學(xué)性能變差等等，有研究者提出了用不同的表面預(yù)處理方法來(lái)改善這些特性。鑒于在ALD淀積薄膜的過(guò)程中，很難在傳統(tǒng)的HF酸處理的襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄膜，為此本文提出了用

5、NH3等離子體預(yù)處理襯底表面，來(lái)改善淀積薄膜的品質(zhì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在HF酸處理的和NH3等離子體預(yù)處理的Si(100)襯底上的生長(zhǎng)速率分別為1．1A／cycle和1．3A/cycle，意味著反應(yīng)前體在NH3等離子體預(yù)處理的硅表面上更容易成核形成薄膜。HF酸處理表面的樣品，其界面層厚度隨著反應(yīng)周期的增加而增加，而NH3等離子體預(yù)處理的樣品，其界面層的厚度不隨反應(yīng)周期的變化而增加，這是由于氧在A1203的擴(kuò)散被NH3等離子體預(yù)處理

6、形成的SiOxNy層阻擋了。此外，制備的A1203層的密度與薄膜的反應(yīng)周期無(wú)關(guān)，且比本體材料的小，這是因?yàn)閯偟矸e的薄膜中含有殘留的．OH和．CH3等雜質(zhì)基團(tuán)。薄膜的熱穩(wěn)定性研究表明，高溫退火可以顯著降低這些基團(tuán)，減少雜質(zhì)含量，且能使薄膜表面變得更加平滑。 在HF酸處理的和NH3等離子體預(yù)處理的GaAs襯底上，也用原子層淀積生長(zhǎng)了3nm左右的A1203介質(zhì)層，兩者的界面層厚度分別為0．9nm和0．3Bin。這說(shuō)明用NH3等離子體預(yù)

7、處理GaAs表面改善了A1203和GaAs襯底之間的界面特性。從X射線光電子能譜中可以發(fā)現(xiàn)，這是由于NH3等離子體預(yù)處理去除了GaAs表面的氧化層和單質(zhì)As，并且在ALD生長(zhǎng)A1203薄膜的過(guò)程中，有效地保護(hù)了GaAs表面，抑制了GaAs氧化層的再生長(zhǎng)。電學(xué)性能分析結(jié)果也表明NH3等離子體預(yù)處理過(guò)的樣品具有更大的積累電容。利用原子層淀積技術(shù)，在GaAs上成功制備高介電常數(shù)的A1203介質(zhì)為實(shí)現(xiàn)GaAs基的MOSFET邁出了重要的一步。

8、 在實(shí)際的原子層淀積High-k柵介質(zhì)的過(guò)程中，研究發(fā)現(xiàn)ALD的每個(gè)反應(yīng)周期并不是生長(zhǎng)一層完美的原子層厚度(1ML)薄膜，往往小于1ML。因此，除了實(shí)驗(yàn)工作以外，本文還使用基于量子化學(xué)中的密度泛函理論(Densityfunctionaltheory)，從微觀的角度對(duì)在GaAs襯底上ALD生長(zhǎng)幾種High-k柵介質(zhì)(A1203，Hf02和Zr02)的初始反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了仔細(xì)研究。用TMA和H20作為反應(yīng)前體生長(zhǎng)A1203介質(zhì)層，涉及的

9、兩個(gè)半反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程所有的中間體始終處于反應(yīng)物能量之下，沒(méi)有凈能量勢(shì)壘，且最終產(chǎn)物的能量處于最低點(diǎn)，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物甲烷(CH4)能自發(fā)的從表面脫附。至于用Hf(Zr)C14和H20作為反應(yīng)前體，生長(zhǎng)Hf(Zr)O2介質(zhì)層，化學(xué)吸附態(tài)在所有的半反應(yīng)中的能量最低，這可能會(huì)使部分反應(yīng)前體分子陷于這樣的化學(xué)吸附態(tài)而無(wú)法分裂達(dá)到最終的產(chǎn)物。此外，HCl物理吸附態(tài)的能量比最終產(chǎn)物的能量要低，如果HCl要從表面解吸，還各需要一定的能