表面预处理对集成AlO高K栅介质影响的研究

摘要

随着器件尺寸的进一步缩小，栅介质正变得越来越薄，由于隧穿效应引起的栅介质漏电流将急剧上升。为了抑制栅漏电流，高介电常数(high-k)栅介质将取代传统的SiON栅介质。而原子层淀积(ALD)工艺技术由于其精确的厚度控制，在高k栅介质的集成工艺上倍受青睐。然而实验表明，在原子层淀积high-k栅介质过程中会形成一层较厚的界面层(-lnm)。而根据ITRS预测，在45nm工艺节点栅介质的等效厚度(EOT)将小于lnm；因此研究如何有效抑制界面层生长已成为high-k集成中的一大挑战。本文主要研究了两种表面处理工艺：表面TMA处理和表面氮化处理，论文主要内容归纳为以下三个部分： 1.论文研究了表面TMA处理和表面氮化处理对原子层淀积A1203薄膜的热稳定性、电学特性的影响，并分析了不同表面处理对电容器件C-V滞回特性影响的原因。 从HRTEM照片上证实：表面TMA处理的确有效抑制了界面层的生长：表面氮化处理在Si表面形成了一层厚-0．5nm的SiON，也有效抑制了在薄膜淀积过程中界面层的再生长。 实验发现，界面层减薄后电容器件的C-V滞回明显增加；基于电容瞬态扫描(C-t)，提出了“浅能级陷阱”模型成功解释了两种表面处理工艺下的滞回差异。 2.为深入了解表面TMA处理的作用，论文研究了表面TMA处理抑制界面层生长的机理。 基于X射线光电子能谱(XPS)分析，提出了“界面Al催化效应，，与“位阻效应”结合的机制，成功解释了表面TMA处理对界面层的抑制作用； 将表面TMA处理工艺成功应用到应变SiGe表面，在抑制界面层的同时大大改善了界面特性：根据XPS分析，这是由于“界面Al催化效应”导致了界面的充分氧化，从而改善了界面特性。 3．基于量子化学计算，论文应用Gaussian03研究了表面氮化促进原子层淀积A1203薄膜初始生长的原因。 在前人的计算和实验结果基础上，推导出表面Si=N单元的形成是氮化反应进行的关键步骤。在计算Si=N表面的同时，得到了NH表面。 计算表明：在掺氮的Si表面，TMA的吸附及反应产物都较在H／Si表面上稳定，并且反应势垒大大降低，这些都表明氮化后的表面促进了A1203的初始生长；从电子结构的角度分析发现这是由于表面的N原子能够提供一个孤对电子，与TMA中Al原子提供的p空轨道结合，形成稳定的吸附态。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章实验及测试方法

第三章表面预处理对原子层淀积Al2O3栅介质的影响--材料特性及电学特性

第四章表面TMA处理的模型研究及其应用

第五章表面氮化工艺的理论研究

第六章总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

论文独创性声明及使用授权声明