基于原子層淀積高κ介質(zhì)調(diào)制肖特基勢壘的研究.pdf

1、隨著互補型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)器件特征尺寸沿著摩爾定律按比例縮小，傳統(tǒng)的硅基CMOS器件已經(jīng)走到了物理極限。由于量子隧穿效應(yīng)的影響，過薄的柵介質(zhì)層會導(dǎo)致導(dǎo)致器件漏電失效。為了解決這個問題，需采用具有更高載流子遷移率的材料。新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)和磷化銦(InP)由于高載流子遷移率成為硅溝道材料的替代者，廣泛應(yīng)用于微電子、光電子器件，并因其

2、高電子飽和速率和高導(dǎo)熱性，成為高頻、高速、耐高溫器件的優(yōu)選材料。
　　對高性能的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)來說，小接觸電阻和高穩(wěn)定性的歐姆接觸是必須的。然而由于金屬/SiC和金屬/InP界面存在費米能級釘扎效應(yīng)，使得有效肖特基勢壘高度(ΦB,eff)難以通過改變金屬功函數(shù)來調(diào)節(jié)，其存在的根源可以通過金屬誘導(dǎo)能

3、隙態(tài)理論（Metal-Induced Gap State，MIGS）或者鍵極化理論(BondPolarization Theory)來解釋。目前，制備SiC MOSFET和InP MOSFET的源漏區(qū)域的小電阻歐姆接觸仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，研究金屬/SiC和金屬/InP的接觸和界面特性對于科學(xué)研究和工程實際都具有極其重大的意義。
　　本論文先回顧了在金屬和半導(dǎo)體材料之間插入超薄高κ介質(zhì)層抑制費米能級釘扎效應(yīng)的方法。在此基礎(chǔ)上，我們

4、將這一方法應(yīng)用到抑制金屬/SiC和金屬/InP界面的費米能級釘扎效應(yīng)。我們采用原子層淀積超薄高κ介質(zhì)，所制備的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（Metal-Insulator-Semiconductor, MIS）結(jié)構(gòu)通過透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）來觀察;高κ介質(zhì)層/半導(dǎo)體界面氧化層之間的界面通過X射線光電子能譜(X-ray Photoemission Spectroscopy, XP

5、S)來分析;電學(xué)特性通過電流-電壓曲線來觀察，并由此獲得肖特基勢壘高度和接觸電阻等相關(guān)電學(xué)參數(shù)。
　　本論文的實驗主要分為兩個方面:
　　第一部分，通過在金屬和SiC之間插入超薄Al2O3，我們成功實現(xiàn)了對金屬/SiC接觸電流、接觸勢壘和接觸類型的調(diào)制，并抑制了費米能級釘扎效應(yīng)。通過改變插入的Al2O3高κ介質(zhì)層的厚度，我們能夠根據(jù)實際的需要獲得理想的接觸勢壘，并實現(xiàn)肖特基接觸和歐姆接觸之間的轉(zhuǎn)換。超薄Al2O3和SiC的界

6、面氧化層SiO2兩種材料的單位面積氧原子密度(σ)不一致導(dǎo)致了界面偶極子的形成。帶負(fù)電的氧原子會從σ較高的Al2O3轉(zhuǎn)移到σ較低的SiO2，在Al2O3中形成氧空位，在SiO2中形成負(fù)電中心，從而形成了偶極子。本方法的具體機理是以下兩種效應(yīng)相互疊加:超薄Al2O3和SiC的界面氧化層SiO2之間能形成拉低肖特基勢壘高度的正向偶極子;然而隨著Al2O3厚度不斷增加，隧穿勢壘也不斷增加，會增加總的勢壘高度。通過調(diào)節(jié)插入的高κ介質(zhì)層的厚度我們

7、能夠?qū)崿F(xiàn)金屬/SiC的最優(yōu)接觸。
　　第二部分，通過在金屬和InP之間插入超薄單層高κ介質(zhì)層Al2O3以及雙層高κ介質(zhì)Al2O3/HfO2堆棧結(jié)構(gòu)，我們成功抑制了金屬/InP的費米能級釘扎效應(yīng)，并實現(xiàn)了對金屬/InP接觸的肖特基勢壘和接觸電阻的調(diào)制。對比單層高κ介質(zhì)的MIS結(jié)構(gòu)(Au/Al2O3/InP)和雙層高κ介質(zhì)MIS結(jié)構(gòu)(Au/Al2O3/HfO2/InP)，我們發(fā)現(xiàn)，盡管雙層高κ介質(zhì)的總介質(zhì)厚度要大于單層高κ介質(zhì)結(jié)構(gòu)，但

8、雙層高κ介質(zhì)(從0.49 eV降低至0.22 eV)比單層高κ介質(zhì)（從0.49 eV降低至0.32 eV）在降低肖特基勢壘高度方面更具有優(yōu)勢。本方法的具體機理仍與偶極子有關(guān)。Al2O3、HfO2和InP界面氧化層In2O3三種材料的σ不一致(σAl2O3＞σHfO2＞σIn2O3)導(dǎo)致了界面偶極子的形成。對于插入單層高κ介質(zhì)層的MIS結(jié)構(gòu)(Au/Al2O3/InP)，只在Al2O3/In2O3界面存在降低勢壘高度的固有偶極子;對于插入雙

9、層高κ介質(zhì)層的MIS結(jié)構(gòu)(Au/Al2O3/HfO2/InP)，在HfO2/In2O3界面存在固有偶極子且在Al2O3/HfO2界面存在外加偶極子，兩個偶極子是同向同極性的，對于勢壘的削減具有疊加增強的作用。
　　這種采用單層或者雙層超薄高κ介質(zhì)層改善金屬/SiC和金屬/InP接觸和界面的方法簡單而有效。這為制備SiC MOSFET和InP MOSFET源漏區(qū)域的理想歐姆接觸提供了一個靈活而高效的方法。該方法也能應(yīng)用到其它的寬禁帶