原子層淀積Al2O3高k柵介質(zhì)實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小,柵介質(zhì)正變得越來越薄,當(dāng)傳統(tǒng)柵介質(zhì)層SiO2的厚度減小到原子尺寸時,由于量子隧穿效應(yīng)的影響,漏電流將變得很大。為了有效抑制漏電流,高介電常數(shù)柵介質(zhì)(high-k)將替代傳統(tǒng)SiO2柵介質(zhì),例如HfO2、Al2O3、ZrO2等。而原子層淀積(ALD)工藝由于其精確的厚度控制,在high-k柵介質(zhì)的集成工藝上受到了廣泛關(guān)注。另一方面,為了獲得更高性能的芯片,選擇具有更高載流子遷移率的襯底材料例如GaAs、GeSi等

2、成為必然。然而,由于GaAs自然氧化層并不能對其基體進(jìn)行有效保護(hù),而且GaAs表面與空氣中的氧以及金屬接觸,會導(dǎo)致很高的表面態(tài),近年來出現(xiàn)了各種GaAs表面鈍化技術(shù),使得在GaAs表面生長高質(zhì)量的high-k柵介質(zhì)成為可能。本文主要研究了在GaAs,GeSi以及Si襯底上原子層淀積生長high-k柵介質(zhì)的工藝,主要內(nèi)容和取得的成果可以歸納為以下3個方面:
　　 1.研究了GaAs襯底表面(NH4)2S處理和表面(NH4)2S+熱

3、氮化(TN)處理工藝對原子層淀積生長Al2O3柵介質(zhì)的影響,并通過XPS等手段分析了GaAs襯底不同表面處理工藝的表面鈍化效果
　　 -------X射線光電子能譜(XPS)分析表明,表面(NH4)2S處理可以在界面上形成Ga-S鍵,有效地減少Al2O3/GaAs界面處的As-O鍵,但是卻不能有效抑制界面處的Ga-O鍵以及As-As鍵。
　　 -------于表面(NH4)2S+熱氮化(TN)預(yù)處理工藝,XPS的結(jié)果表明

4、,TN處理可以有效的在界面上摻入N,形成Ga-N以及As-N鍵,同時有效的抑制Al2O3/GaAs界面上的Ga-O,As-O以及As-As鍵。與表面(NH4)2S處理相比,表面(NH4)2S+TN預(yù)處理可以達(dá)到更好的鈍化效果。
　　 2.基于量子化學(xué)中的密度泛函理論(Density functional theory),從微觀的角度研究了H鈍化的GeSi襯底上ALD生長Al2O3的初始反應(yīng)機(jī)理
　　 -------選用G

5、e-Si二聚物(Ge-Si dimer)以及Ge-Ge二聚物(Ge-Ge dimer)來模擬H-GeSi(100)-(2×1)表面,研究了Al(CH3)3(TMA)分子在H-GeSi(100)-(2×1)反應(yīng)過程。
　　 -------分析表明,對比于TMA分子在Si-Ge二聚物上的反應(yīng)情況,TMA分子更容易在Ge-Ge二聚物上反應(yīng)(更穩(wěn)定的吸附態(tài)和更小的能量勢壘),因此也就有利于Al2O3的初始生長,這很好地吻合了實(shí)驗(yàn)報道的結(jié)

6、果。
　　 3.研究了Si襯底上ALD不同組分HfAIO介質(zhì)的生長工藝,分析了N2和NH3退火對柵介質(zhì)性能的影響。
　　 -------通過改變原子層淀積工藝,可以調(diào)節(jié)HfAlO薄膜中Al:Hf原子的比例。隨著HfAlO薄膜中的Al:Hf原子比的減少,獲得的MOS電容積累區(qū)電容密度不斷增大,表明隨著薄膜中Al:Hf原子比的減少,薄膜的相對介電常數(shù)不斷增加。此外,隨著Al:Hf原子比的減少,平帶電壓不斷負(fù)偏,表明負(fù)電荷不斷