先進CMOS高k柵介質(zhì)的實驗與理論研究.pdf

1、隨著集成電路的發(fā)展,摩爾定律一直驅(qū)動著集成電路的基本單元,即金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的等比例縮小。在等比例縮小中,我們必須把柵氧化層的厚度減小為原來的1/k,這使得柵極氧化層的物理厚度走向了極限。當柵氧化層厚度無法再減小時,為了提升柵電容的數(shù)值,唯一的方法就是提高介質(zhì)的相對介電常數(shù)。這就要求我們舍棄50年來一直在使用的SiO2柵氧化層,轉(zhuǎn)而使用相對介電常數(shù)更加高的材料,即高介電常數(shù)(High-k)介質(zhì)。針對目前高

2、k柵介質(zhì)在實際研究中碰到的問題,本文對先進CMOS器件的高k柵介質(zhì)開展了系統(tǒng)的實驗和理論研究。一方面,用原子層淀積(atomic layer deposition)和分子束外延(Molecular beam epitaxy)方法制備了高性能的Al2O3、HfO2、HfxAlyOz、單晶Od2O3和單晶Nd2O3高k柵介質(zhì)介質(zhì),系統(tǒng)研究了他們的材料結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化以及電學性能;另一方面,通過第一性原理方法,系統(tǒng)研究了Hf基High-k介質(zhì)本

3、征點缺陷以及雜質(zhì)點缺陷對高k柵介質(zhì)材料和電學性能的影響。本文結(jié)果對先進CMOS器件中高k柵介質(zhì)的應(yīng)用具有重要的學術(shù)價值和指導意義。本文首先用分子束外延的方法在Si(100)上外延了高質(zhì)量的單晶Gd2O3和Nd2O-3高k介質(zhì)。采用W金屬柵和Pt金屬柵,通過Forming Gas退火以及的“Gate Last” Forming Gas工藝,我們成功地鈍化了在單晶高介電常數(shù)介質(zhì)和Si襯底之間存在的界面態(tài),大大地降低了柵極漏電流和界面態(tài)密度。

4、經(jīng)過工藝優(yōu)化的單晶Gd2O3高k柵介質(zhì)具有很好的電學性能:
　　(1)獲得的Gd2O3的介電常數(shù)為21.5;
　　(2)制備的單晶Gd2O-3表現(xiàn)出了極好的絕緣性能,其室溫漏電流為5.69×10-6A/cm2(EOT=1.4nm),遠低于國際半導體技術(shù)藍圖對2010年低功耗晶體管柵極漏電流的要求;
　　(3)Gd2O3/Si(100)結(jié)構(gòu)的C-V滯回電壓可以降低到10mV以內(nèi),界面態(tài)密度降到在1011cm-2eV-1量

5、級;研究了單晶Nd2O3柵介質(zhì)/Si的近界面氧化層缺陷(NIOT)。
　　利用低頻C-V特性曲線,通過電學方法提取了NIOT。研究發(fā)現(xiàn)Nd2O3/Si(111)結(jié)構(gòu)NIOT的密度為3.75×1012cm-2,并利用G-f法對近界面氧化層缺陷的測量進行了驗證;采用先進的原子層淀積工藝制備了Al2O3、HfO2和HfAlO3.5高k柵介質(zhì),優(yōu)化了其生長工藝。在Si(100)襯底上制備了HfAlO3.5高k柵介質(zhì),研究了1kHz到100

6、kHz HfAlO3.5高k柵介質(zhì)的頻率耗散特性。發(fā)現(xiàn)由于寄生電阻的關(guān)系,隨著頻率的上升,其MOS電容密度從0.73μF/cm2下降到0.71μF/cm2。在-0.5V附近的C-V特性曲線存在扭結(jié),表明有一定密度的慢界面態(tài)存在。在100kHz下測定了A1/HfAlO3.5/Si(100)MOS結(jié)構(gòu)電容的高頻C-V特性曲線,然后用Terman方法獲得了Si禁帶中央附近的界面態(tài)密度為5×1011cm-2eV-1到1×1012cm-2eV-1

7、之間,并用Hill-Coleman測量方法進行了驗證。為了在GaAs襯底上原子層淀積高質(zhì)量的A12O3高k柵介質(zhì),提出了一種新的GaAs表面鈍化方法,有效地抑制了GaAs襯底上原子層淀積Al2O3的過程中發(fā)生的氧化反應(yīng)。即首先對GaAs表面硫化,然后把硫化的GaAs在500℃下的NH3氛圍下熱處理5分鐘。結(jié)果得到了穩(wěn)定的氮化的表面,抑制了原子層淀積生長過程中氧化物前驅(qū)體對GaAs表面的氧化,同時也去除了對MOS器件電學性能產(chǎn)生嚴重影響的

8、GaAs表面的單質(zhì)As,極大地提升了Al/Al2O3/GaAs結(jié)構(gòu)的積累電容密度。研究了氧空位對Hf基柵介質(zhì)原子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的影響。從能帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),氧空位在HfO2的禁帶中央引入了帶隙態(tài),成為Trap-Assisted Tunneling或者Poole-Frenkel Tunneling等導電機制中的缺陷能級。分析表明,F離子進入氧空位以后,取代了原來氧離子的作用,通過F離子的2p軌道和Hf離子的5d軌道的p-dinteraction

9、造成軌道雜化,由于氟原子的電負性大于氧原子,把原來的Hf5d軌道上的帶隙態(tài)推到了二氧化鉿的導帶以上,從來完全鈍化了二氧化鉿中的氧空位。從理論上解釋了實驗中發(fā)現(xiàn)的F離子對HfO2氧空位的鈍化能力。研究發(fā)現(xiàn)F離子在HfO2和HfSiO4介質(zhì)中存在不同的鈍化作用機理。在HfSiO4中,由于Si和Hf的電正性的差異,在氧空位中的F接受來自于Hf的電子,而把來自于Si2p軌道的電子推回到Si的2p軌道中,造成了具有7個核外電子的Si離子。這個Si

10、離子的存在,造成了F離子對HfSiO4的氧空位不具有鈍化作用。分析比較了F離子和N離子對HfSiO4/Si結(jié)構(gòu)在柵電壓作用下氧空位的鈍化效果。研究發(fā)現(xiàn),在漏電流方面,HfSiO4基MOS結(jié)構(gòu)中F離子對氧空位的鈍化優(yōu)于N離子對氧空位的鈍化。但是,當柵極電壓變化時,F離子在氧空位中會引起其附近Si離子的充放電。這是通常意義上我們所說的慢界面態(tài),而N則僅僅是負的固定電荷。由于界面態(tài)對器件性能退化的作用遠大于固定電荷的影響,因此,N離子對HfS

11、iO4氧空位的鈍化作用要優(yōu)于F離子。用第一性原理系統(tǒng)研究了Cl、Ge和B雜質(zhì)對鉿基高k柵介質(zhì)性能的影響,對觀測到的實驗現(xiàn)象進行了很好的理論解釋。原子層淀積工藝帶來的Cl殘留雜質(zhì)對HfO2高k柵介質(zhì)電學特性將產(chǎn)生影響。分析表明,替代位的Cl殘留雜質(zhì)在MOS結(jié)構(gòu)中是一個可充放電的缺陷,會造成MOS結(jié)構(gòu)滯回電壓的增大;間隙位的Cl殘留扎在在MOS結(jié)構(gòu)中是負的固定電荷,會造成MOS結(jié)構(gòu)平帶電壓的正偏。Cl殘留雜質(zhì)對HfSiO4高k柵介質(zhì)電學性能

12、的影響,與其在HfO2的作用相類似。Ge原子從襯底中擴散進入HfO2介質(zhì),可形成3種缺陷,即V3Ge、V4Ge和Ge間隙缺陷。在HfO2/TiN金屬柵結(jié)構(gòu)的費密能級體系下,由于Ge缺陷在各個情況下基本都帶負電,Ge缺陷在HfO2/Ge界面總體表現(xiàn)為負的固定電荷,導致MOS結(jié)構(gòu)的平帶電壓正向漂移。硼在HfO2高k柵介質(zhì)中以2種狀態(tài)存在,即間隙B缺陷和V3B缺陷。對于+1價的間隙B缺陷來說,其在HfO2的帶隙中引入了兩個帶隙態(tài),分別為相對于

13、價帶頂2.53eV和相對于導帶底0.26eV。在pMOSFET工作條件下,空穴經(jīng)襯底價帶注入到HfO2的價帶中,因此,后一個帶隙態(tài)不會造成太大的影響。但是,第一個帶隙態(tài)在Si的價帶和HfO2的價帶之間,在一定濃度的間隙B缺陷的存在下,電子可以沿著這個能級從襯底流向柵極,即產(chǎn)生Trap-Assisted Tunneling。因此會對MOS結(jié)構(gòu)的柵極漏電流造成大的影響。首次在理論上給出了高k柵介質(zhì)中B雜質(zhì)對pMOSFET閾值電壓不穩(wěn)定性影響