原子層淀積高介電常數(shù)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸按照“摩爾定律”不斷地減小。晶體管尺寸的減小成就了超大規(guī)模集成電路成本的驟降和性能的飛躍。近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，集成電路芯片中集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番。與此同時(shí)，MOS器件中柵介質(zhì)的厚度也跟隨等比例縮小原則變薄。當(dāng)柵介質(zhì)的厚度減小到1nm的時(shí)候，采用傳統(tǒng)的SiO2作為柵介質(zhì)介質(zhì)，漏電流很大，無法滿足高性能器件的要求。因此，必須采用高介電常數(shù)介質(zhì)替代SiO2作為柵介質(zhì)。

2、
　　高介電常數(shù)介質(zhì)應(yīng)用于集成電路要具有較高的介電常數(shù)、大禁帶寬度、良好的熱穩(wěn)定性以及與目前的CMOS工藝兼容的特點(diǎn)。盡管現(xiàn)在對(duì)高介電常數(shù)介質(zhì)的研究取得了很大進(jìn)展，并且Intel公司在32 nm和22 nm技術(shù)中已經(jīng)采用，但是其中還有很多科學(xué)問題值得研究。另一方面，為了獲得性能全面、滿足尺寸更小的器件的柵介質(zhì)，對(duì)新型高介電常數(shù)柵介質(zhì)的探索也是一個(gè)重要的研究方向。除此以外，高介電常數(shù)介質(zhì)的應(yīng)用，降低了對(duì)Si襯底的依賴，提供了新的襯底

3、選擇的機(jī)會(huì)。本文研究了原子層淀積(atomic layer deposition，簡(jiǎn)稱ALD) Nb2O5和NbAlO高介電常數(shù)介質(zhì)的制備與表征、在Ge襯底上原子層淀積Al2O3、AlN的反應(yīng)機(jī)理、以及在GaAs和InP襯底上原子層淀積Al2O3和HfO2高介電常數(shù)介質(zhì)等。本文結(jié)果對(duì)理解和優(yōu)化原子層淀積高介電常數(shù)介質(zhì)在集成電路工藝中的應(yīng)用具有重要學(xué)術(shù)意義。
　　論文首先研究了在Si襯底上用ALD制備Nb2O5薄膜。以Nb(OC2H

4、5)5為金屬反應(yīng)前驅(qū)體，H2O為氧化劑，反應(yīng)溫度為300℃。制備好的樣品在400℃、600℃、800℃氮?dú)鈿夥障峦嘶?0秒，以研究其熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，在淀積初始階段，由于Nb(OC2H5)5分子的位阻效應(yīng)，薄膜生長速率較快;在薄膜完全覆蓋Si襯底以后，生長速率趨于穩(wěn)定，每個(gè)ALD循環(huán)生長約為0.7 nm薄膜。用橢偏儀方法分析了薄膜的光學(xué)特性，在波長為630nm處的薄膜折射率為1.90。當(dāng)入射光能量小于4.4 eV時(shí)，薄膜的折射率是入射

5、光能量的增函數(shù);入射光能量大于4.4eV時(shí)，薄膜的折射率是入射光能量的減函數(shù)。而且薄膜的折射率隨退火溫度的升高而變小。對(duì)于薄膜的消光系數(shù)，當(dāng)入射光能量小于5.3 eV時(shí)，薄膜的消光系數(shù)是入射光能量的增函數(shù);入射光能量大于5.3 eV時(shí)，薄膜的消光系數(shù)是入射光能量的減函數(shù)。根據(jù)消光系數(shù)，我們分析了薄膜的禁帶寬度，Nb2O5薄膜禁帶寬度為3.41 eV。在退火過程中界面處的Si原子與Nb2O5薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)界面層。由于界面層的形成，

6、導(dǎo)致薄膜的禁帶寬度隨著退火溫度的升高而增大。通過XPS測(cè)試，分析了薄膜、薄膜與襯底界面的化學(xué)性質(zhì)。在淀積過程中，襯底Si原子與界面的Nb2O5發(fā)生作用，形成Si-O-Nb結(jié)構(gòu)。經(jīng)過高溫退火工藝，薄膜中的Nb2O5中的部分O原子透過薄膜，到達(dá)襯底表面與Si原子結(jié)合，形成Si的氧化物。為了解決Si/Nb2O5結(jié)構(gòu)界面不穩(wěn)定的特性，制備了Si/Al2O3/Nb2O5疊層結(jié)構(gòu)，其中1.8 nm的Al2O3為鈍化層。結(jié)果表明，Al2O3很好地抑制

7、了Si襯底與Nb2O5薄膜的相互作用，阻礙了界面層的形成。
　　其次，論文研究了ALD制備NbAlO新型高介電常數(shù)介質(zhì)。通過改變不同的Nb2O5和Al2O3的原子層淀積循環(huán)比的方法，制備了不同組分的NbAlO介質(zhì)。分別用Nb(OC2H5)5和Al(CH3)3作為Nb2O5和Al2O3的金屬前驅(qū)體，用去離子水作為氧化劑，淀積溫度為300℃。隨后樣品在N2氣氛中退火30秒，退火溫度為600℃。研究表明，在NbAlO薄膜中存在Al-O-

8、Nb結(jié)構(gòu)，Nb原子與Al原子和O氧原子很好的結(jié)合，并不存在Nb2O5形態(tài)。在與襯底接觸的界面處形成Si-O-Nb。這種界面層并不穩(wěn)定，退火以后，界面處的Si-O-Nb遭到破壞，形成SiO2。通過橢偏儀測(cè)試方法分析了薄膜的光學(xué)特性。樣品的折射率隨薄膜中Nb原子含量的增加而增大。而薄膜的禁帶寬度則隨Nb原子含量的增加而減小。這說明，可以通過ALD工藝調(diào)節(jié)薄膜中Nb2O5的淀積循環(huán)比來控制薄膜的禁帶寬度，而且這種方法對(duì)薄膜禁帶寬度調(diào)節(jié)的精度較

9、高，可以細(xì)微到0.2 eV。我們還分析了薄膜的band offset。通過XPS結(jié)果，我們分析了禁帶寬度為5.05 eV的薄膜，其與Si襯底之間價(jià)帶差值(⊿Ev)為2.28 eV，導(dǎo)帶差值（⊿Ec）為1.65 eV。退火以后，禁帶寬度幾乎沒有變化，但是⊿Ec減小了0.2 eV，而⊿Ev則增大了0.2 eV。
　　論文用第一性原理方法研究了在Ge襯底上原子層淀積Al2O3、AlN的反應(yīng)機(jī)理。Ge襯底的電子、空穴遷移率都很高，已經(jīng)在一

10、些領(lǐng)域得到應(yīng)用。Ge襯底器件的主要問題在于與氧化物之間的界面層不穩(wěn)定，因此研究淀積高介電常數(shù)Al2O3、AlN的反應(yīng)機(jī)理很有必要。用Gaussian03軟件包計(jì)算了Ge襯底上原子層淀積Al2O3、AlN的反應(yīng)路徑、反應(yīng)體系的能量以及原子間的相互作用。結(jié)果表明，在Ge襯底與TMA分子的半反應(yīng)過程中，Ge原子與Al原子形成化學(xué)鍵，生成副產(chǎn)物CH4，同時(shí)整個(gè)體系的能量降低了1.20 eV/mol，說明反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)需要跨越的最大能量勢(shì)壘

11、為0.91 eV/mol;在Al2O3反應(yīng)第二個(gè)半反應(yīng)過程中，H2O分子與Ge-Al-(CH3)2作用，Al原子與O原子形成化學(xué)鍵，生產(chǎn)副產(chǎn)物CH4，同時(shí)整個(gè)體系的能量降低了1.63 eV/mol，說明反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)需要跨越的最大能量勢(shì)壘為1.44 eV/mol，這也是整個(gè)反應(yīng)過程的最高能量勢(shì)壘。在ALD淀積AlN的第二個(gè)半反應(yīng)中，NH3分子與Ge-Al-(CH3)2作用，Al原子與N原子形成化學(xué)鍵，生產(chǎn)副產(chǎn)物CH4，同時(shí)整個(gè)體系

12、的能量降低了1.13 eV/mol，說明反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)需要跨越的最大能量勢(shì)壘為1.43 eV/mol。與Si襯底相比，TMA分子化學(xué)吸附與Ge襯底的體系能量更低，因此TMA分子更容易吸附于Ge襯底上。在工藝上，可以適當(dāng)?shù)目s短TMA通入反應(yīng)腔的時(shí)間，節(jié)約成本。
　　最后論文研究了在GaAs襯底和InP襯底上ALD淀積Al2O3和HfO2高k介質(zhì)。并通過表面硫化處理以及退火等工藝流程，著重從電學(xué)特性的角度(C-V, I-V)分析

13、了工藝對(duì)提高器件性能的影響。Al/Al2O3/GaAs MOS結(jié)構(gòu)的積累電容密度為8.29×10—μF/cm2，對(duì)應(yīng)的EOT分別為4.16 nm。實(shí)驗(yàn)表明，退火工藝了引入大量缺陷，導(dǎo)致積累電容下降。襯底表面經(jīng)過硫化處理以后，襯底表面的懸掛鍵得到鈍化，抑制了界面層的生長，并使界面態(tài)密度降低，從而使得積累電容增大并有效地降低了柵極漏電流。Al/HfO2/GaAs MOS結(jié)構(gòu)的積累電容密度為6.68×10-1μF/cm2，HfO2介質(zhì)的介電常

14、數(shù)為15.1，EOT為5.17 nm。同樣，在襯底表面經(jīng)過硫化處理以后，界面態(tài)密度降低，從而降低柵極漏電流。Al/Al2O3/InP MOS結(jié)構(gòu)的積累電容密度為1.62μF/cm2。然而研究發(fā)現(xiàn)，硫化處理后，引入了大量缺陷，積累電容變小。Al/HfO2/InP MOS結(jié)構(gòu)的積累電容密度為6.13×10-1μF/cm2，HfO2薄膜的介電常數(shù)為14，對(duì)應(yīng)的EOT為5.63 nm。退火工藝抑制了缺陷的形成，使得積累電容密度增大。襯底表面經(jīng)過