La2O3高k材料生长与总剂量辐照特性研究

摘要

随着集成电路尺寸的缩小，高k材料替代SiO2作栅氧已成为一种必然趋势。多年来，人们尝试了多种介电常数高于传统SiO2的材料，例如Al2O3、Hf系材料等，并取得了一定的成果，但对更有发展潜力La系高k材料的研究还不多。
　　本研究在介质制备方面，通过对比MBE、CVD等材料制备方式，选取了综合特性最优的ALD淀积方式进行La2O3材料的制备。并在之前工艺参数的基础上，探究出所用La源（La(iPrCp)3）最适宜的前驱体温度为180℃。具体探究了LaAlO3材料的不同层次结构对特性的影响。保持La:Al的淀积比例为3:1，以及 La2O3和Al2O3的总量不变，只改变淀积层数，分别制备3:1，6:2和9：2三种循环结构的LaAlO3高k栅介质薄膜，并通过XPS频谱和电学特性测试作对比分析。结果发现，层数最多的3:1组分结构硅片可以获得最大的积累区电容Cox，最小的等效氧化层厚度（EOT），电特性良好。且对应的k值约为11，正好处在最佳范围10~30之间。只是材料内部缺陷相对较多，会造成的C-V曲线出现磁滞。这可以通过退火步骤得到改善，具体的退火氛围、温度和时间等工艺参数需要进一步的研究。在总剂量辐照方面，介电常数的提高使高k材料的物理厚度变大。与只有少量原位缺陷的传统SiO2相比，高k介质受应力作用会产生大量缺陷，从而使偏压所致的电荷俘获增多。而且随着极紫外（EUV）光刻技术的推广，也会对器件产生辐照影响。这三个因素导致采用高 k材料作栅介质的器件面临更严峻的总剂量辐照问题。已有很多具体的实验探究高k材料的辐照特性，结果显示材料内部的缺陷是导致辐照特性退化的重要因素。除去这一因素，高 k材料的介电常数、禁带宽度、电子亲和能等参数以及栅电极的不同，又会产生何种影响？这就需要通过软件仿真，设置介质材料内的缺陷密度相同为前提进行研究。通过文献查阅，确定了HfO2和La2O3的介电常数、禁带宽度、折射率等参数，并向ISE TCAD软件的材料库中添加了这两种新的高k材料。在保证内部缺陷密度和传统 SiO2相同的情况下，分别对65nm的 MOS管和60nm SOI器件，在不同辐照条件下，使用ISE TCAD软件模拟使用不同栅介质材料对应的转移特性。结果显示，随着剂量增大，转移特性曲线均负偏。栅介质材料的亲和能越大，曲线越向右移；而k值越大，会越向左移。HfO2的转移特性曲线相对于传统SiO2栅介质的明显右偏，而La2O3相对左偏。Au金属电极的使用都会使HfO2的曲线右偏，La2O3的左偏。

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第一章 绪论

1.1 高k材料的研究现状

1.2 高k栅介质器件的可靠性问题

1.3 本文的主要研究工作与内容安排

第二章 La系高k材料的特点及制备方式

2.1高k栅介质材料的选取

2.2 La系高k栅介质的优缺点

2.3 高k栅介质薄膜的制备

2.4 本章小结

第三章 LaAlO3高k材料的ALD淀积与特性优化

3.1 La源温度的优化

3.2 不同层次结构对LaAlO3特性的影响

3.3 本章小结

第四章 小尺寸高k栅介质器件的总剂量辐照特性

4.1 总剂量辐照效应

4.2 ISE TCAD软件中高k新材料的引入

4.3 小尺寸高k栅MOS器件的辐照仿真

4.4 小尺寸高k栅SOI器件的辐照仿真

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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