基于LaON界面钝化层的Ge MOS器件界面及电特性研究

摘要

随着集成电路的持续发展，MOSFET器件性能亟需进一步的改进提高，高迁移率沟道材料（如Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体）代替传统Si衬底为器件性能的改进提供了可行途径。在各种高迁移率衬底中，Ge具有最高的空穴迁移率（1900cm2/V?s），且与其电子迁移率具有较好的对称性，是最具有应用前景的高迁移率衬底之一。但与传统Si衬底相比，Ge衬底的氧化物GeO2热稳定性较差，高温下会与Ge衬底反应生成挥发性的GeO，使得Ge MOS器件的界面质量恶化，从而严重退化其器件性能。这已成为限制Ge MOS器件应用最为关键的问题。本文基于最近几年Ge MOS界面研究中较为火热的稀土氧化物材料，为有效改善Ge MOS器件的界面质量，从稀土氧化物与Ge衬底界面形成机理、高k介质层对界面质量的退化原理、稀土氧化物界面钝化层应用及进一步改进、稀土氧化物的改性等方面进行了一系列有意义的研究工作。
　　首先，通过比较La2O3和Y2O3两种不同的稀土氧化物与Ge衬底形成的界面，研究了稀土氧化物与Ge衬底的界面形成原理。通过研究发现，相对于Y2O3，La2O3与Ge衬底的反应更为强烈，界面处形成更厚更稳定的锗酸盐界面层，从而可以与Ge衬底形成质量更好的界面。并进一步研究了La2O3和Y2O3中N的掺入对锗酸盐形成及界面质量的影响，发现N的掺入可以有效抑制Ge和O的扩散，从而在抑制La2O3与Ge衬底界面处LaGeOx形成的同时，也抑制了GeOx的形成。因此LaON与Ge衬底表现出非常良好的界面质量（Dit=4.96×1011cm-2eV-1），是非常优异的Ge MOS界面钝化材料。
　　基于上述研究结果，采用LaON作为界面钝化层，HfO2作为高k介质层，制备了HfO2/LaON/Ge叠层MOS电容，发现LaON界面钝化层的加入有效改善了HfO2/Ge界面质量，但相对于没有HfO2高k层的LaON/Ge界面，界面质量明显退化（Dit=8.02?1011eV-1cm-2）。因此通过LaON和YON两种不同的界面钝化层研究了HfO2高k层对于界面的退化机理，并设计了YON/LaON和TaON/LaON两种双界面钝化层方案，来进一步改善界面质量。相对而言TaON可以更有效的减小HfO2对LaON/Ge界面的影响，从而获得近乎理想的高质量LaON/Ge界面（Dit=5.32×1011cm-2eV-1）。此外，还从HfO2高k层的改进入手研究了进一步改善HfO2/LaON/Ge叠层界面质量的方案。通过N和Ta的掺入及F等离子处理对HfO2进行改进，从而有效减小Hf基高k层对界面的影响。研究结果表明N和Ta的掺入可以有效改善HfO2质量，提高薄膜致密性，同时有效抑制Hf向界面层的扩散，减小LaHfOx和HfGeOx的形成，因此可以有效减小Hf基高k介质对LaON/Ge界面的影响，从而获得了与前面相近的高质量界面（Dit=5.77×1011cm-2eV-1）。而F等离子体处理可以在HfO2中形成稳定的Hf-F键，从而抑制Hf的扩散并减小HfO2对LaON/Ge界面的影响，因此对界面质量也具有进一步的改善作用。
　　最后，利用Ta掺入对LaON吸潮特性的改善，研究了LaTaON这一可直接用作Ge MOS栅介质的新型高k材料。研究表明Ta的掺入可以极大的改善LaON的吸潮特性，同时保持与Ge衬底形成的良好界面。以LaTaON作为Ge MOS器件的栅介质，可以获得非常良好的电学及界面特性，是Ge MOS器件中非常具有应用前景的高k栅介质材料。

目录

声明

1 绪论

1.1 集成电路的发展与摩尔定律

1.2 MOS器件等比缩小面临的挑战

1.3 Ge基MOSFET的优势及存在的问题

1.4 Ge MOS器件界面研究进展

1.5 本论文主要研究工作及内容安排

2 Ge MOS器件制备工艺及测试表征方法

2.1 Ge MOS器件的制备工艺

2.2 器件电学特性测试与参数提取

2.3 栅介质薄膜及MOS界面表征方法

2.4 本章小结

3 稀土锗酸盐形成及其对Ge MOS界面改善研究

3.1 引言

3.2 La2O3和Y2O3 Ge MOS界面及氮化研究

3.3 LaON界面钝化层对HfO2/Ge界面的改善作用

3.4 本章小结

4 基于LaON的双界面钝化层研究

4.1 引言

4.2 YON/LaON双界面钝化层研究

4.3 TaON/LaON双界面钝化层研究

4.4 本章小结

5 HfO2高k层改性对LaON界面钝化层影响的研究

5.1 引言

5.2 N和Ta掺入HfO2高k层对界面质量的影响

5.3 F等离子体处理HfO2高k层对界面质量的影响

5.4 本章小结

6 新型LaTaON高k栅介质研究

6.1 引言

6.2 实验工艺与样品制备

6.3 实验结果与分析讨论

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结与创新点

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的论文