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《北京有色金属研究总院》 2011年
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铪基及稀土高k薄膜在Si、Ge及InP上外延生长及性能研究

张心强  
【摘要】:随着CMOS集成电路的快速发展,器件的特征尺寸已进入了纳米量级。一方面,传统SiO2栅介质厚度的减小会导致很高的隧穿电流,阻碍其的应用,需要采用较高介电常数的栅介质(高k)薄膜替代Si02。另一方面,器件和电路性能的提高对沟道中载流子的迁移速度提出了新的要求,传统Si基沟道材料将不适用于高速器件领域,需要采用高载流子迁移率的沟道材料。因此对高k栅介质进行研究,尤其是将其与新型沟道材料结合进行综合的应用研究具有十分重要学术价值和实用意义。本文针对先进纳米CMOS器件的高k栅介质以及沟道材料开展了系统的实验和理论研究。 铪基和稀土非晶态氧化物薄膜作为栅介质材料已经得以广泛的研究,但是非晶态是一种亚稳定态,并且薄膜中存在较高的缺陷密度。单晶外延薄膜在提高介电常数、稳定性和降低漏电问题上具有突出的优势。此外,脉冲激光沉积方法(PLD)具有成本低、易操作性以及便捷的实用性等特点,对于薄膜外延生长是比较理想的手段。本文选取了HfO2、Gd2O3-HfO2 (GHO)固溶氧化物、La203作为高k栅介质研究对象。采用PLD技术在不同衬底(Si、Ge和InP)上外延了立方相的HfO2、GHO、La2O3高k栅介质薄膜,研究高k薄膜的生长特性,对其进行了结构表征与性能测试,讨论了高k薄膜在高迁移率沟道材料上的实用性。具体研究内容如下: (1)采用PLD方法在Si(001)衬底上外延生长了立方相Hf02薄膜,立方相Hf02具备良好的结晶性以及与Si存在唯一的取向关系:(001)Hf02||(001)Si和[011]Hf02‖[011]Si。HfO2薄膜以cube-on-cube的方式进行外延生长。从实验上揭示了立方相氧化铪存在的氧扩散性。与报道的非晶态氧化铪栅介质相比,本实验所制备的立方相氧化铪外延薄膜展现出良好的电学特性:具有较小的等效电容厚度(-0.87纳米)、栅压为-1V时较小的漏电流密度(1.5×10-5A/cm2)、较高的介电常数~26(接近理论值~28)以及C-V曲线具有很小的回滞窗口(-15mV)。立方相Hf02外延薄膜作为高k栅介质在Si基集成电路领域的应用具有十分广阔的前景。 (2)设计并且制备了一种新型Gd203-Hf02固溶高k栅介质米阻止界面层的产生和解决氧在立方相Hf02中的扩散问题。采用固溶烧结工艺制备了Gd203摩尔含量为10%的GHO-10固溶靶材,并通过PLD方法在Si(100)衬底上成功外延了立方相的GHO-10薄膜。GHO-10薄膜与衬底的取向关系为(100)GHO-10||(100)Si和[011]GHO-10||[011]Si,呈cube-on-cube的模式生长。在GHO-10/Si的界面呈现原子级平整,并且无界面层产生。通过XPS对界面成分的分析,确定界面处Si的化学键仅是Si-O,并没有发生与硅化物或与二氧化硅相关的化学反应。证实了Hf02通过Gd203与其固溶,能有效的抑制氧扩散,并且具备很好的热稳定性。为提高高k介电层的稳定性、抑制氧扩散、抑制界面层提供了参考和依据。 (3)针对外延过程中晶格的匹配性问题,系统研究了不同计量比的HfO2-Gd2O3固溶氧化物及其纳米薄膜的微观结构。首先采用优化了的烧结工艺制备不同计量比的靶材(见表5.1),研究了体材料中Gd2O3含量对晶格常数的影响,并且以Si(001)为衬底制备不同成分的立方相GHO固溶高k薄膜,找出了计量比与纳米薄膜晶格常数之间的联系。通过块体与纳米薄膜材料晶格常数的比较,对GHO固溶纳米薄膜在沉积过程中导致晶格参数变化的原因进行了研究。为用于外延栅介质材料的选择提供了依据。 (4)针对所选Gd2O3摩尔含量为35%的GHO-35固溶高k薄膜在新型沟道材料上的实用性进行深入研究。在Ge(001)衬底上采用PLD方法外延生长了GHO-35薄膜,分析了镀膜条件对薄膜结构的影响,并且针对外延过程的动力学进行了研究;对外延薄膜的取向、界面结构、成分以及界面处的能带结构进行了分析。建立了抑制界面层氧化与形成明锐界面的原子模型;研究了Au/Ti/GHO-35/Ge/Al结构原型器件的电学特性。在Ge(001)衬底上,GHO-35薄膜仍然以cube-on-cube的模式外延生长,二者异质外延关系为[011]GHO-35 ||[011]Ge和(001)GHO-35 ||(001)Ge;GHO-35/Ge外延堆栈层界面处价带和导带的势垒高度分别为3.92 eV和1.38 eV。对相应Ge-MOS电容器进行了电性能分析,结果显示,GHO-35薄膜的漏电流在低电场下呈现了明显的欧姆传导特性,并且表现出优良的介电性能。k~28,EOT~0.59 nm等为后22纳米节点集成电路高k栅介质的选择以及沟道材料的选择提供了依据。 (5)选择具有较大使用前景的La2O3以及耐辐射的光电子材料InP作为研究对象。采用PLD方法在InP(001)衬底上外延生长了La2O3薄膜;对外延薄膜的生长条件、结构取向、界面结构以及界面处的能带结构进行了分析:La2O3薄膜与InP(001)衬底的外延取向关系为[011]La2O3‖[011]InP和(001)La2O3‖(001)InP。在InP(001)衬底上,La2O3薄膜所采取外延生长方式为" cube-on-cube "并且La2O3薄膜和InP衬底之间存在明锐和平整的界面。利用光电子能谱对La2O3/InP(001)外延堆栈层的界面电子结构研究表明:La2O3/InP(001)的价带和导带偏移分别为1.62 eV和2.61 eV。W/La2O3/InP/Al堆栈层表现出优良的介电性能,如:k~31, EOT~0.30 nm等。对于未来纳米集成电路的制造具有很大的实用价值。
【学位授予单位】:北京有色金属研究总院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O484.1

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【参考文献】
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【共引文献】
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