基于LaON界面鈍化層的Ge MOS器件界面及電特性研究.pdf

1、隨著集成電路的持續(xù)發(fā)展，MOSFET器件性能亟需進(jìn)一步的改進(jìn)提高，高遷移率溝道材料（如Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體）代替?zhèn)鹘y(tǒng)Si襯底為器件性能的改進(jìn)提供了可行途徑。在各種高遷移率襯底中，Ge具有最高的空穴遷移率（1900cm2/V?s），且與其電子遷移率具有較好的對稱性，是最具有應(yīng)用前景的高遷移率襯底之一。但與傳統(tǒng)Si襯底相比，Ge襯底的氧化物GeO2熱穩(wěn)定性較差，高溫下會與Ge襯底反應(yīng)生成揮發(fā)性的GeO，使得Ge MOS器件的界面質(zhì)量惡

2、化，從而嚴(yán)重退化其器件性能。這已成為限制Ge MOS器件應(yīng)用最為關(guān)鍵的問題。本文基于最近幾年Ge MOS界面研究中較為火熱的稀土氧化物材料，為有效改善Ge MOS器件的界面質(zhì)量，從稀土氧化物與Ge襯底界面形成機理、高k介質(zhì)層對界面質(zhì)量的退化原理、稀土氧化物界面鈍化層應(yīng)用及進(jìn)一步改進(jìn)、稀土氧化物的改性等方面進(jìn)行了一系列有意義的研究工作。
　　首先，通過比較La2O3和Y2O3兩種不同的稀土氧化物與Ge襯底形成的界面，研究了稀土氧化物

3、與Ge襯底的界面形成原理。通過研究發(fā)現(xiàn)，相對于Y2O3，La2O3與Ge襯底的反應(yīng)更為強烈，界面處形成更厚更穩(wěn)定的鍺酸鹽界面層，從而可以與Ge襯底形成質(zhì)量更好的界面。并進(jìn)一步研究了La2O3和Y2O3中N的摻入對鍺酸鹽形成及界面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)N的摻入可以有效抑制Ge和O的擴(kuò)散，從而在抑制La2O3與Ge襯底界面處LaGeOx形成的同時，也抑制了GeOx的形成。因此LaON與Ge襯底表現(xiàn)出非常良好的界面質(zhì)量（Dit=4.96×1011c

4、m-2eV-1），是非常優(yōu)異的Ge MOS界面鈍化材料。
　　基于上述研究結(jié)果，采用LaON作為界面鈍化層，HfO2作為高k介質(zhì)層，制備了HfO2/LaON/Ge疊層MOS電容，發(fā)現(xiàn)LaON界面鈍化層的加入有效改善了HfO2/Ge界面質(zhì)量，但相對于沒有HfO2高k層的LaON/Ge界面，界面質(zhì)量明顯退化（Dit=8.02?1011eV-1cm-2）。因此通過LaON和YON兩種不同的界面鈍化層研究了HfO2高k層對于界面的退化機理

5、，并設(shè)計了YON/LaON和TaON/LaON兩種雙界面鈍化層方案，來進(jìn)一步改善界面質(zhì)量。相對而言TaON可以更有效的減小HfO2對LaON/Ge界面的影響，從而獲得近乎理想的高質(zhì)量LaON/Ge界面（Dit=5.32×1011cm-2eV-1）。此外，還從HfO2高k層的改進(jìn)入手研究了進(jìn)一步改善HfO2/LaON/Ge疊層界面質(zhì)量的方案。通過N和Ta的摻入及F等離子處理對HfO2進(jìn)行改進(jìn)，從而有效減小Hf基高k層對界面的影響。研究結(jié)果

6、表明N和Ta的摻入可以有效改善HfO2質(zhì)量，提高薄膜致密性，同時有效抑制Hf向界面層的擴(kuò)散，減小LaHfOx和HfGeOx的形成，因此可以有效減小Hf基高k介質(zhì)對LaON/Ge界面的影響，從而獲得了與前面相近的高質(zhì)量界面（Dit=5.77×1011cm-2eV-1）。而F等離子體處理可以在HfO2中形成穩(wěn)定的Hf-F鍵，從而抑制Hf的擴(kuò)散并減小HfO2對LaON/Ge界面的影響，因此對界面質(zhì)量也具有進(jìn)一步的改善作用。
　　最后，利