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高k栅介质/半导体衬底界面的钝化和性能提升

作　者: 谭葛明
导　师: 张卫
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 高k材料栅介质原子层淀积 GaAs 硫钝化 Si MOS电容
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着微电子产业的飞速发展,CMOS器件特征尺寸在不断缩小,传统的氧化硅栅介质材料/Si体系为基础的MOS器件已经走到了物理极限。一方面,当传统栅介质层SiO2的厚度减小到原子尺寸时,由于量子隧穿效应的影响,漏电流将变得很大而无法正常工作。因此我们要寻求一种高介电常数材料来代替SiO2。其中,HfO2其较高的介电常数(-25)、较大的禁带宽度(-5.6eV)、与Si的导带和价带势垒较大(AEc=1.5eV,△Ev= 1.7eV)、以及与Si的高的热稳定性等特征,被认为是最有希望的替代SiO2的栅介质材料。高k材料要取代SiO2成为MOSFET器件栅介质,高k材料/Si体系必须具有与SiO2/Si体系相似的性质,并且与当前的半导体制造工艺兼容。因此,作为候选的高k材料必须符合以下几方面的要求：(1)具有比较高的介电常数和势垒高度;(2)薄膜在半导体热处理条件下能保持非晶态；(3)具有良好的热稳定性；(4)具有良好的界面品质；(5)与半导体工艺兼容等。另一方面,由于器件工作的速度越来越快,这对衬底的载流子迁移率提出了更高的要求。具有较高迁移率的Ⅲ-Ⅴ族半导体(GaAs等),Ge以及GeSi等材料成为研究和应用的热点。但是这些材料自身的氧化层不仅不能像Si02氧化层对Si起到有效地保护,反而会引入很高的界面态密度。GaAs的表面钝化技术进步是在GaAs衬底材料上制备高性能的MOS器件的核心技术之一。本论文工作主要分为以下两个方面：1.采用先进的原子层淀积工艺在Si(100)的衬底上制备了高k栅介质Al203和HfAlO, Al、Hf和O的前躯体分别为三甲基铝(TMA),四(乙基甲胺基)铪(TEMAH)和H2O。研究了在Si衬底和HfAlO栅介质之间插入Al203缓冲层后MOS电容和TMA预处理后的MOS电容的电学性能。在1 MHz条件下测试TMA预处理,5个10个ALD周期的Al203缓冲层样品,积累区电容密度分别为0.813,1.143,0.772μF/cm2,禁带中央的Dit分别为7.09×1011,5.01×1011和8.12×1011 (cm-2.eV-1)。直接淀积HfAlO介质的样品的积累电容密度为1.626μF/cm2,虽然HfAlO/Si MOS结构拥有最高的积累电容密度,但是其界面态密度和频率耗散特性较差。两种淀积不同厚度的Al203缓冲层的HfAlO/Al203/Si结构在100 kHz和1 MHz的频率测试下的频率耗散特性很小,两种样品的漏电流密度比较低且相差很小,但是前者的电容等效厚度(CET)却比后者要小1.4nm。这说明5个周期Al203厚度的缓冲层既能够保证较小的漏电流,还可以降低MOS结构的CET。此外,使用Al203缓冲层的HfAlO/Al203/Si结构的热稳定性提高了,可以阻挡住有害杂质的扩散和抑制栅介质的结晶。2.采用硫钝化溶液进行湿法钝化处理可以去除GaAs表面的氧化物和As,从而抑制GaAs表面反位缺陷AsGa的形成,并在GaAs表面留下致密的GaSx防止氧化。为了在GaAs衬底上原子层淀积高质量的A12O31高k栅介质,采用硫代乙酰胺(CH3CSNH2)作为硫钝化溶液处理GaAs,还使用了(NH4)2S钝化处理GaAs表面作为对比。对这两种表面前处理后制备的Al2O3/GaAs样品的XPS的分析表明,硫钝化处理可以在界面上形成Ga-S键,有效地减少Al2O3/GaAs界面处的As-O键,但是却不能完全消除界面处的Ga-O键和As-As键,综合比较得出硫代乙酰胺的钝化效果更佳。研究了两种硫钝化样品和TMA预处理的样品的电学特性,其中硫代乙酰胺处理过的样品的积累电容密度和界面态密度特性最好。在500℃下的N2气氛中快速热退火5min后,硫钝化样品的积累电容密度因为的Al2O3紧致化而增大,这说明硫钝化处理可以提高Al2O3/GaAs体系的稳定性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-22
  1.1 集成电路器件与工艺的发展  11-13
  1.2 SiO_2作为栅极介质材料的限制  13-14
  1.3 高k栅介质  14-19
    1.3.1 高k栅介质的性能要求  14-15
    1.3.2 几种高k栅介质材料  15-17
    1.3.3 高k材料的研究现状  17-19
  1.4 砷化镓(GaAs)衬底  19-21
  1.5 本论文的主要工作  21-22
第二章高k栅介质的制备工艺和表征技术及相关理论  22-33
  2.1 引言  22
  2.2 高k栅介质的淀积方法  22-27
    2.2.1 原子层淀积的原理和技术  23-24
    2.2.2 原子层淀积表面化学机制  24-26
    2.2.3 ALD制备金属氧化物栅介质薄膜  26-27
  2.3 高k栅介质的物理性质表征技术  27-30
    2.3.1 薄膜厚度的表征:椭圆偏振仪  27-29
    2.3.2 薄膜表面分析技术:X射线光电子能谱(XPS)  29-30
  2.4 高k栅介质结构的电学测量技术  30-33
    2.4.1 MOS结构的电容-电压(C-V)测量  30-31
    2.4.2 MOS结构的电流-电压(I-V)测量  31-33
第三章具有Al_2O_3缓冲层的HfAlO高k栅介质MOS结构的研究  33-43
  3.1 引言  33-34
  3.2 实验过程  34-38
    3.2.1 实验设备和反应前躯体  34-35
    3.2.2 Si片的清洗  35-36
    3.2.3 原子层淀积Al_2O_3和HfAlO薄膜  36-37
    3.2.4 具有Al_2O_3缓冲层的Ru/HfO_2/Al_2O_3 MOS结构  37-38
  3.3 高k栅介质MOS结构的电学测试  38-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章砷化镓(GaAs)衬底上淀积Al_2O_3薄膜和硫钝化研究  43-55
  4.1 引言  43-45
  4.2 实验过程  45-46
    4.2.1 GaAs衬底表面的清洗和硫钝化  45
    4.2.2 原子层淀积Al_2O_3薄膜  45-46
  4.3 Al_2O_3和GaAs界面的分析  46-50
  4.4 Au/Ti/Al_2O_3/GaAs MOS结构的制备和电学分析  50-53
  4.5 本章小结  53-55
第五章结论  55-57
参考文献  57-63
硕士阶段发表的学术论文  63-64
致谢  64-65

高k栅介质/半导体衬底界面的钝化和性能提升

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