（凝聚态物理专业论文）氧化铝基高k栅介质薄膜的制备和性能研究.pdf

兰州大学硕士学位论文摘要 摘要 由于大规模集成电路( u l s i ) 的发展，集成度越来越高，其核心器件c m o s 场效应晶体管的特征尺寸( 栅厚和栅宽) 将日益缩小，这对一直占统治地位的 s i 0 2 栅介质提出了挑战，即当s i 0 2 介质层的厚度减小到原子尺寸时( 1 0 r i m ) 由量子隧道效应所导致的漏电流变得不可忽视，s i 0 2 将失去介电特性，因此必须 寻找新的高介电常数( 高k ) 材料代替它。采用高k 电介质代替传统的s i 0 2 电介 质，就可以在保持相同电容密度的情况下增大电介质层的厚度。因此，高介电常 数栅介质材料成为当今微电子材料的研究热点。 多种候选材料如金属氧化物及相应的伪二元合金、硅酸盐和铝酸盐等得到了 广泛的研究，并发展了堆栈结构材料，但是，究竟那种材料能担当起s i 0 2 替代 材料至今仍无定论。本文选取具有介电常数较高、热稳定性优良、与s i 0 2 具有 相似能带结构等优异综合性质的a 1 2 0 3 作为研究对象，利用射频反应溅射的方法， 制备了非晶a 1 2 0 3 薄膜及y ( 钇) 掺杂a 1 2 0 3 薄膜，通过多种测试手段，测量了 薄膜的结构、形貌等性质，并重点研究了其电学特性。实验发现，a 1 2 0 3 薄膜对 制备条件有较大的依赖性，适当温度的氮气退火能够改善薄膜的c - v 、i v 等电 学特性；对a 1 2 0 3 进行y 掺杂表明，y 的掺入能够在不影响其它性质的前提下， 有效地提高了其介电常数，并且y 掺杂a 1 2 0 3 薄膜表现出优异的电学特性。 本论文的主要工作： 1 探索m 2 0 3 薄膜的制备条件： 2 a 1 2 0 3 薄膜的性质及退火等条件对其电学特性的影响； 3 y 掺杂a 1 2 0 3 薄膜的制备和性质研究。 很多研究者认为铝酸盐是将来高k 栅介质材料的发展趋势。本文研究以 a 1 2 0 3 为基础的高k 栅介质材料，而且我们较早的利用射频溅射法对a 1 2 0 3 进行 y 元索掺杂尝试，得到了质量好、电学性质优异的y 掺杂a 1 2 0 3 薄膜，并分析了 其极化机理，这些方面具有创新性。因此，我们的工作，对于探索和促进高k 栅 介质材料在硅基半导体工业中的实用化具有重要意义和参考价值。 兰州大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yd e m a n d sh i g h e rd e n s i t yi n t e g r a t e dc i f c 趣r a p i d s h r i n k i n go ft r a n s i s t o rs i z ei sr e q u i r e d as a l i e n tp r o b l e mi st h a to ft h eg a t eo x i d e ， 谢mt h ep r e s e n t l yu s e da m o r p h o u ss i 0 2 e x p e c t e d t oa p p r o a c hi t sl i m i t so f u s e f u l n e s s t h es i g n i f i c a n tl e a k a g ea n d r e l i a b i l i t yi s s u e sw i l lo c c u rw i t l ls i 0 2w h e n t h et h i c k n e s s i st h i n n e rt h a n 1 o h m t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，t h em a t e r i a lw i t hh i g hd i e l e c t r i c c o n s t a n ti sd e s i r a b l es i n c et h ep h y s i c a lt h i c k n e s so fg a t eo x i d ef i l mc a l lb et h i c k e r t h a ns i 0 2 t h er e s e a r c ho n h i g h - kd i e l e c t r i cm a t e r i a l si sa na c t i v ef i e l da tt h ep r e s e n t t i m e a v a r i e t yo fd i e l e c t r i c sa r eb e i n gc o n s i d e r e d e x a m p l e si n c l u d em e t a lo x i d e s ， p s e u d o b i n a r ya l l o y s ，a l u m i n a t e s ，s i l i c a t e sa n d m a t e r i a l si nl a m i n a t es t r u c t u r e s b u tt h e m a t e r i a l ，w h i c hc a l ld i s p l a c es i 0 2c o m p l e t e l y , h a s n tb e e nf o u n dy e t a m o n gt h e m ， m 2 0 3a n da l u m i n a t e sa r ee x t r e m e l yp r o m i s i n gc a n d i d a t e sd u et ot h e f th i g hd i e l e c t r i c c o n s t a n t ，w i d e b a n dg a pa n dg o o d t h e r l n a la n dc h e m i c a ls t a b i l i t y a m o r p h o u sa 1 2 0 3a n dy - d o p e da 1 2 0 3f i l m sh a v eb e e nd e p o s i t e db y r e a c t i v er f m a g n e t r o ns p u t t e r i n gi no x y g e na n da r g o nm i x t u r ea t m o s p h e r e x r a yd i f f r a c t i o n a n a l y s i s ( x r d ) ，s c a n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) a n d t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，i m p e d a n c ea n a l y z e r o fh p 4 2 9 4 ah a v eb e e n a p p l i e d t o c h a r a c t e r i z et h e p r o p e r t i e s o ft h e s ef i l m s i n c l u d i n gc a p a c i t a n c e v o l t a g e ， c u r r e n t v o l t a g e ，s t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y i t s b e e nf o u n dt h a tt h e p r o p e r t i e s o ft h e a 1 2 0 3 f i l m sd e p e n d e do nt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r sa n dt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sc o u l d 兰州大学硕士学位论文a b s t r a c t b e i m p r o v e db yn 2a n n e a l i n g yd o p a n t e n h a n c e dt h ekv a l u ew i t h o u tt h e d e t e r i o r a t i o no ft h ep r o p e r t i e so ft h ea h 0 3f i l ma n dt h ey - d o p e da 1 2 0 3f i l m ss h o w e d a ne x c e l l e n te l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e t h ew o r k si nt h i sa r t i c l e 1 t of m do u tt h eb e s te x p e r i m e n tp a r a m e t e rf o rf a b r i c a t i n ga 1 2 0 3t h i nf i l m s ； 2 t oc h a r a c t e r i z et h ea 1 2 0 3f i l m sa n ds t u d yt h ee f f e c t so f n 2 a n n e a l i n go n t h e i r e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ； 3 t of a b r i c a t ea n ds t u d yt h ey d o p e aa 1 2 0 3f i l m s m a n y r e s e a r c h e r sc o n s i d e ra l u m i n a t e sa st h em o s t p r o m i s i n gc a n d i d a t e t or e p l a c e s i 0 2 i ti sc o n s i s t e n t 谢t 1 1o t l rw o r k i nt h i sa r t i c l e y d o p e da 1 2 0 3f i l mi sa r e l a t i v e l y n e w g a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a l s o ，o b rw o r k w i l lb eh e l p f u lt os e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y s p r o g r e s s i l l 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 少守 h 叫 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 卅l 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名：之黧掣陋一日期：丝丝： 兰州大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 大自然给微电子工业提供了s i 0 2 这一极好的材料，使得它从建立之初就能保 持快速的发展。s i 0 2 是在s i 表面自然形成的，具有优良的界面特性，唯一稳定 的氧化物，同时也是优良的绝缘体，具有很高的熔点。这些特性在微电子工业的 发展中是缺一不可的。金属氧化物半导体场效应管是集成电路的基本组成单元， 而它的核心一栅结构正是s i 0 2 s i 界面。s i 0 2 s i 界面已经成为事实上最经济的， 在技术上最具重要性的材料界面。 半导体工业在快速的发展过程中也不断产生系列技术需求以满足不断扩 张的市场。这些需求包括：性能( 芯片速度) 、低功耗( 主要是静态功耗) 、宽电 压支持和宽电压输出。这些需求主要是通过对集成电路最基本单元一场效应管的 尺寸缩小来实现的，这一技术称为“按比例缩小”( s c a l i n g ) 。按比例缩小的结 果是获得了高性能微处理芯片、高密度存储芯片和低功耗设备，促使例如移动、 无线设备市场的迅速扩大。 而对实现按比例缩小起关键作用的正是s i 0 2 优良的物理、电学特性。现代工 业使用热生长的非晶s i 0 2 能够提供良好稳定性( 包括热稳定性和电学稳定性) 、 高质量的s i 0 2 s i 界面和优异的电学绝缘特性。当场效应管的尺寸较大时这些优 异的性质不随按比例缩小工艺而变化，所以在按比例缩小的过程中不需要考虑 s i 0 2 s i 界面的变化，但是当场效应管的尺寸继续缩小时，一系列新的问题出现 了。 第一节按比例缩小及其限制 1 9 6 0 年，世界上第一块集成电路诞生了。1 9 7 1 年，i n t e r 公司制造出了频率 为6 0 k h z 的4 0 0 4 商用计算机芯片，内含2 0 0 0 余个晶体管。从这以后，计算机 中央处理单元( c e n t r a lp f o c e s s i n gu n i t - - c p u ) 的发展按照摩尔定律( m o o r e s l a w - 芯片的集成度每1 8 个月翻一番) 稳步地前进着q 到2 0 0 1 年，i n t e r 的奔 兰州大学硕士学位论文第一章b ；言 腾芯片已经达到了2 4 g h z 的运行频率，集成了5 5 1 07 个晶体管。半导体集成 电路的运行速度越来越快，功能越来越强大，而功耗越来越低一这一切都归功 于摩尔定律的推动，而摩尔定律的背后的技术支持正是按比例缩小定律【2 1 。 金属一氧化物一半导体场效应晶体管( m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r - - m o s f e t ) 是集成电路的基本组成单元。它在模拟单元中起 线性放大作用，在数字单元中起开关作用。其剖面结构如图卜i 所示。 图卜1k i o s f e t 结构示意图 由图1 - 1 可见，m o s f e t 主要由三部分组成：s i 衬底，重掺杂的源( s ) 与 漏( d ) 区，以及栅氧化物和栅极( g ) 。以n m o s f e t 为例，在p 型衬底上重 掺杂出两个n 型区，分别作为源极和漏极，栅介质当前使用s i 0 2 ，在s i 0 2 上是 n 型重掺杂的多晶硅( p o l y s i ) 作为栅极。器件工作时，源极与衬底接地，漏极 加上一个电压v d ，当栅极加上一个足够高的正偏压v g 时，就在栅介质的下面 s i 衬底的表面区域形成一个反型区，这个反型区称为导电沟道，它连通源与漏， 从而形成电流i d 。 在推导m o s f e t 的特性方程时，通常使用长沟道近似，从物理本质的角度 来看，长沟道近似其实就是低电场近似，因为即使是短沟道器件，如果旋加适当 的电压以保持低电场特性，那么器件的行为和长沟道器件仍然是一样的。在短沟 道器件中将出现许多高场效应，其中最主要的是载流子漂移速度饱和。在高场强 时，由于高能声子散射，载流子漂移速度不再随场强增加而增加，在s i 材料中， 兰州大学硕士学位论文第一章引言 当场强超过1 0 4 v c m 后，电子的漂移速度减小就很明显，最终停留在约1 0 7 c m s 的饱和速度上。 按比例缩小定律是半导体工业中实际采用的设计更小型m o s f e t 的方法， 其核心是在按比例缩小过程中保持穿越沟道的电场强度不变。表1 - 1 列出了在按 比例缩小过程中变化的重要参数： 表1 - i 按比例缩小过程中改变的器件参数【3 】 参数改变因子s ( s 1 ) 栅氧化物厚度( t 。) l ，s 沟道长度( l ) l ，s 沟道宽度( w ) 1 ，s 结深( d p l ，s 沟道掺杂浓度( n a ，n d ) s 工作电压( v )1 ，s 在长沟道近似中，m o s f e t 的饱和电流可写为： l ：掣( 一k ) z ( 1 - 1 ) 其中，i d 为f e t 在饱和态时源与漏两极间的电流，肛为沟道中载流子迁移率， c o x 为栅电容密度，w 为沟道宽度，l 为沟道长度，v o 为f e t 的栅与源两极间 的电压，v t 为阈值电压。当沟道材料和极性确定之后，肚，v 。通常就已经确定了。 由于v 。比较小，在粗略估算中，通常也忽略这一项。由以上公式可以看出，经 过按比例缩小之后，i d 变为原来的1 s 。 电路的延迟时间： f c v i( 1 - 2 ) 其中c 为栅电容，v 为工作电压，i 为漏电流。由于三个参数都变为1 s ，故t 变为原来的1 s ，减小了电路的延迟时间，提高了电路运行速度。 从对饱和电流和电路延迟时间的讨论可以看出，按比例缩小在增加器件密度 的同时提高了电路运行速度，而且减小了功率消耗，这正是半导体工业执着地进 行按比例缩小的物理基础。直观地看，减小氧化物厚度t o x 增加了c 。，那么沟道 中的电荷增加了；减小沟道长度l 则减小了沟道电荷移动的距离。增加的栅电容 密度允许栅电压在s i 衬底中浸透更深从而控制更多的电荷，这对于控制系统电 压继续下降是很重要的。 兰州大学硕士学位论文 第一章引言 按比例缩小过程并不是一帆风顺的，当人们继续向9 0 n m 甚至6 5 n m 技术结 前进中遇到了一系列困难，所以在1 9 9 9 年的i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 技术指南中，在1 3 0 n m 到l o o n m 技术结之间放下 一堵红砖墙，以示难以跨越的挑战。在2 0 0 2 年的版本中，由于技术的迅速深入 这堵红砖墙被挪动到9 0 n m 技术结1 4 。一系列的障碍筑成了这堵红砖墙，其中最 核心的一个难题是栅氧化物问题。问题已经提及，在按比例缩小的过程中，栅氧 化物厚度t o x 也在按比例缩小。对于1 3 0 h m 技术结，s i 0 2 的厚度约为3 n m ，相当 于约1 2 个原子层的厚度：对于8 0 n m 技术结，所需要的s i 0 2 厚度约为l n m ，相 当于3 4 个原子层的厚度。在这种情况下，即使薄膜本身的物理属性能够保持， 它也要面临另一个重要的问题：量子隧道效应导致的隧道电流迅速增加，以致器 件功耗快速上升，甚至s i 0 2 层已经不能起到绝缘介质的作用。在m o s 结构中， s i 0 2 的量子隧道电流随着厚度的减小指数增加： 1 e x p ( 一2 压而j 壳) ( i - 3 ) 其中，i 为隧穿电流，m + 为电子有效质量，m 是s i 和s i 0 2 界面处的势垒高度，t 是s i 0 2 介质层的厚度，壳= h 2 冗，h 是普朗克( p l a n c k ) 常数。对于3 5 r i m 厚度的 s i 0 2 薄膜，当偏置电压为l v 时，m o s 栅极电流是1 1 0 1 1 a c m 2 ；当栅氧化层 厚度减小为1 5 n m 时，漏电流陡增至1 0 b d c m 2 ，即当栅氧化层厚度减小一倍时， 漏电流增长了1 2 个数量级 5 】；继续减小厚度到l n m ，漏电流将达到i 0 0a c m 2 。 到目前为止，规模生产的m o s f e t 的栅极线宽已经达到o 2 5um ，即将进入o 1 8u m 【“。根据1 9 9 9 年美国半导体工业协会s i a 制定的“国际半导体技术发展计划” 预测表，到2 0 1 4 年，半导体技术的发展将要求把栅长度减小到0 0 2 2um ，对应 的等效氧化物厚度应达到o 3 o 6 n m l 7 j ，1 9 9 7 年栅氧化物厚度有2 5 个硅原子层， 而到2 0 1 2 年将缩小为5 个硅原子层【8 j 。 迅速增加的漏电流正是按比例缩小过程中所遇到的最核心的难题，它不仅增 加无用功耗，并且恶化器件性f 毙t 9 1 。由于隧穿不仅发生在反型状态，同样发生在 器件的积累状态，这意味着在m o s f e t 的关态同样会发生电流流动。虽然漏电 流不会直接造成氧化层的损坏，但是却会造成器件失效。另一方面，当s i 0 2 层 减薄时，反型层中的载流子开始出现量子化现象，造成反转电荷数目和跨导的降 低。在早期的m o s f e t 器件中，表现为低场时载流子迁移率的降低。在现代器 4 兰州大学亟主堂位论文第一章引言 件中，由于沟道重掺杂，电荷中心远离s i 0 2 s i 界面，造成栅电容的减小【5 】o 如果栅氧化物不能继续按比例减薄，那么器件性能就不能得到继续提升，摩 尔定律到此为止。为了在增加c o x 的同时保持良好的绝缘特性，由平行板电容公 式： c ：k e o a ( 1 - 4 ) r 可知，当器件特征尺寸一定( a 一定) 时，可以使用高介电常数( 高k ) 材料或 减小介质厚度来提高电容。集成电路发展到今天，一直采用的是后一种方法。现 在，由于超薄s i 0 2 的漏电流特性，人们必须采用前一种方法：引入高介电常数 材料。这样，在增加电容密度的同时，厚的介质厚度避免了隧穿电流的形成，巧 妙地绕过了当前横在半导体工业面前的一道栅栏。 第二节高k 栅介质材料的特性需求 从集成电路诞生后，s i 0 2 作为栅介质材料一直使用至今，这是与s i 0 2 优良 的物理化学属性是分不开的。目前所研究的高介电常数的新型绝缘介质材料有很 多，但究竟选那种材料尚无定论。寻找性能更好的新型高介电常数材料以及通过 改进工艺降低薄膜体和界面的缺陷态密度及泄漏电流密度是当前的热点。那么作 为替代材料，理想的高k 材料应该具有那些属性呢? 要取代s i 0 2 成为m o s f e t 里的栅介质，高介电材料必须具有与s i 0 2 s i 系统相似的性质，使其与当前的半 导体工业兼容。综合起来，主要有下述几个方面。 表1 - 2 高介电常数栅介质材料的基本要求 1 1 , i 要求原因 高介电常数增加栅介质层的物理厚度 大的带隙，高的势垒高度降低隧穿电流 与s i 有好的热稳定性保持好的材料特性 始终是非晶态减少泄漏电流 低的缺陷态密度d n 盟1 0 “e v c m 2提高性能 低的固定电荷密度提高性能 表1 - 2 示出了对高介电常数栅介质的基本要求。除了要求介质材料的介电常 兰州大学硕士学位论文第一章引言 数尽可能大外，首先介质材料在s i 衬底上必须是热动力学稳定的；为了防止沿 晶粒间界的输运，希望介质材料在器件制作工艺过程中能够始终保持为非晶态； 同时为了降低栅的泄漏电流，栅介质材料的带隙应该尽可能的大；更重要的是希 望栅介质材料与s i 的导带，价带的势垒要大( 1 e v ) 。此外，为了保证m o s f e t 的性能，还要求减少界面的固定电荷和缺陷态【3 1 。 高介电常数 如上所述，采用高介电常数的介质材料以后，在保持相同的栅电容的条件下， 实际的栅介质层的物理厚度有所增加，相应的隧穿电流便可大大降低【1 3 1 。 采用s i 0 2 作为栅介质时，单位面积的栅电容为 = 警( t - 5 ) 当采用高介电常数材料时，单位面积的栅电容则为 c 恸一# = _ 6 0 6 一h 耐, - k ( 1 - 6 ) 神一 其中和8 h i s h - k 分别是s i 0 2 和高介电常数材料的相对介电常数，t o x 和t h i 曲_ k 分别 是s i 0 2 栅介质和高介电常数栅介质的物理厚度。 若在采用新材料后仍要保持栅电容不变，即c 。x = - - c h i g h - k ，则有 一女= 警k ( 1 _ 7 ) 通常在高介电常数的研究中，常用等效氧化物厚度t c q ( e o t ) 作为衡量标准， 并与高介电常数栅介质的实际物理厚度h i g l a - k 相区别。e o t 定义为：高介电常数 栅介质和纯s i 0 2 栅介质达到相同的栅电容时的纯s i 0 2 栅介质的厚度，即 o = k = 生f 神4 ( 1 - 8 ) 6 岫毋一i 这样，在特征尺寸为7 0 n m 的时候，相应的e o t 为1 o 6 r i m ，如果高介电 常数栅介质的介电常数为1 5 6 ，则对应于1 o 6 n m e o t ，高介电常数栅介质的 物理厚度为4 2 4 r i m 。由上述公式可见，栅介质的介电常数越高，在相同的e o t 下实际的物理厚度越厚，越有利于降低隧穿电流和提高可靠性。表1 - 3 示出了部 6 兰州大学硕士学位论文第一章引言 分栅介质材料的介电常数等特性。 表卜3 部分栅介质替代材料的物理性质i t 3 , 1 4 1 材料 介电常数( k )带隙宽度e g ( e v )e c ( e v ) 与硅晶体结构 s i 0 2 3 98 93 2 非晶 s i 3 n 4 75 12 非晶 a 1 2 0 3 98 72 8 非晶 y 2 0 3 1 8 5 62 _ 3 立方结构 l a 2 0 3 3 04 32 3 六方结构 t 1 0 2 8 0 3 51 2 四方结构 h f 0 2 2 5 5 71 5 四方结构 z 1 0 2 2 5 7 81 4 四方结构 带隙和带边问的势垒高度 栅介质材料的带隙e g 以及栅介质材料的导带与s i 导带间的距离( 与导带间 的势垒高度，a e c ) 和栅介质材料的价带与s i 价带间的距离( 与硅的价带间的 势垒高度，e v ) 是影响栅介质隧穿电流的重要参数。隧穿电流与介质层中载流 子的有效质量、势垒高度和势垒厚度密切相关，对于矩形势垒，其隧穿几率为 其中巾是势垒高度，对于电子的隧穿，它相当于栅介质材料的导带距s i 导带间 的距离；t o x 为所隧穿的势垒的厚度。 如图】- 2 和表1 3 所示，在常见的介质材料中，随着介电常数的增加，介质 材料的带隙下降，而通常介质材料与带边的势垒高度是与带隙成正比的。于是随 之出现了材料选择上的问题。一方面需要寻找高介电常数的介质材料，使实际的 物理厚度增加；另一方面高的介电常数不可避免地出现带隙减小和随之而来的势 垒降低，从而使隧穿电流增大。好在由公式( 1 - 9 ) 可见，隧穿几率与势垒高度 的平方根成指数关系，而同时也与势垒厚度成指数关系，为此，从降低隧穿电流 的角度看，选择较高介电常数的材料还是有利的【1 3 。 除了介质材料的带隙外，与s i 带边间的势垒高度也是非常重要的。通常为 了避免热电子发射电流的影响，要求介质材料与s i 的导带和价带间的势垒高度 均应大于l e v 。从表1 3 可见，s i 0 2 和a 1 2 0 3 对硅的电子和空穴都有很高的势垒， 有利于降低热电子发射电流和隧穿电流。 7 兰州大学硕士学位论文第一章引言 但是在某些材料中，导带和价带间的势垒是不对称的，通常与导带边的势垒 要低一些。如：t a 2 0 5 的带隙为4 4 e v ，但其与s i 导带间的势垒仅为o 3 e v 。于 是电子很容易通过势垒进入s i 的导带，从而形成大的泄漏电流。 墓 蓄霉 f 上晨建出b l 1 锚l 。1 鲈 ：| 飚骚厂。 图卜2 部分候选栅介质的能带示意图 1 4 , 1 目 & 热稳定性 为了后文讨论清晰，现给出整个栅结构的示意图，如图卜3 所示。整个栅结 构可以分解为六个区域，不同区域之间的间隔是为了强调相邻的区域而非真实存 在。 上爨蕊 榧赍羼 下界鬣 沟道 图1 3m o s f e t 中栅结构不同区域示意图 兰州大学硕士学位论文第一章引言 图1 - 3 中，强调了绝缘介质上下界面层。现在c m o s f e t 的栅电极是由高掺杂 的多晶硅经高温退火后形成的，以增强其导电性。之所以要强调两个界面是因为 无论是栅介质与s i 沟道的下界面还是与栅电极的上界面对器件性能都有显著的 影响，两个界面都能改变整个栅堆叠结构的总电容，这种效应在界面层厚度与绝 缘介质层厚度可比拟的时候尤其变得明显。对很多高k 材料而言，不是高k 介质 本身，而是不期望出现的界面层决定了整个栅堆叠结构的电学特性1 1 6 】。 为了充分利用材料介电常数高的特点，希望在高介电常数栅介质和s i 之间 没有任何的中间层。为此，选择高k 材料首先必须考虑的是高k 材料与s i 间的 热动力学稳定性。如果高k 材料与s i 闻不是热动力学稳定的，则其金属氧化物 在高温下容易出现以下两种反应，形成金属与s i 0 2 或金属硅化物与s i 0 2 。即 s i + m o ，_ m + s i o2 ( 1 1 0 ) 或 s i + m o ；斗m s i ，+ s i 0 2 ( 1 - 1 1 ) 式中m o ：代表某种高介电常数材料的金属氧化物。 为确保高介电常数栅介质材料的特性，必须避免上述两种反应。对大量的金 属氧化物尤其是二元金属氧化物进行的大量的理论和试验研究表明 1 3 , 1 7 , 1 8 1 ， 1 0 0 0 k 时，在s i 上许多二元金属氧化物不是热力学稳定的。其中已经广泛研究 的t i 0 2 和t a 2 0 5 在s i 上是不稳定的，硅上的t i 0 2 在高温下容易形成硅化物，而 t a 2 0 5 容易形成金属。若利用这两种材料作为栅介质则需要在硅衬底和多晶硅栅 电极间增加过渡的缓冲层( s i 0 2 ) ，而加入缓冲层后难以实现超薄的等效栅氧化 层。 对碱土金属氧化物和i i i b 族的金属氧化物以及z r 0 2 ，h f 0 2 ，a 1 2 0 3 等也有了 较深入的研究，理论和实验结果表明，高温下在硅上可能有好的热力学稳定性。 y 2 0 3 ，l a 2 0 3 是受到广泛重视的中等介电常数的介质材料，a 1 2 0 3 也是一种重要 的介质材料。此外，研究已经证实z r 0 2 ，h f 0 2 与s i 在高温下是稳定的。 界面特性 通常在栅介质与s i 界面之间存在着界面固定电荷和一定的界面缺陷态分布。 9 兰州大学硕士学位论文第一章引言 这些缺陷的存在不仅会使平带电压偏移、c v 特性畸变，还会使m o s f e t 中的表 面迁移率退化。在m o s f e t 中，迁移率与界面态间存在以下关系 1 9 】： 一t ：上 ( 1 - 1 2 ) 胁1 + 哦 其中，d h ( c m 。2 e v d ) 为相应偏压下的界面态密度。于是随着界面态的增加， 迁移率将下降致使器件性能退化。通常，热氧化s i 0 2 的带隙中央的界面态密度 d n 2 1 0 1 0 c m - 2 e v ，而大多数的高介电常数材料的界面态密度一般在1 0 1 1 1 0 1 2 c m 2 e v ，要远大于s i 0 2 的界面态密度，并且存在较大的平带电压移动( x v f h 3 0 0 m v ) 。 薄膜形态 至今，大多数所研究的新的高k 栅介质为多晶态。但是，由于晶粒边界上有 较大的电流输运和质量输运，所以多晶电介质会产生不均匀的漏电流分布以及导 致芯片上纳米器件中大的统计变量。因此，优秀的高k 栅极电介质材料应该不发 生晶化以防止沿晶粒边界进行的有害的质量输运和电荷输运效应。从经济因素考 虑，微电子工业不允许新的工艺结构，因此必须找到一种在器件集成后仍保持非 晶态的栅介质替代材料。但是如表1 - 3 所示，除a 1 2 0 3 以外，几乎所有的栅介质 材料在沉积或一定温度热处理之后为多晶结构。因此，虽然所研究的大部分材料 ( 如t i 0 2 等) 具有很大的介电常数，但是由于在高温下晶化的不足，都不能肩 负起新一代栅介质的重任。 第三节研究现状 由前述可见，虽然高介电常数的氧化物材料很多，但是能够满足栅介质要求 的高介电常数材料并不多，表卜3 已经列出了部分主要的高介电常数栅介质材料 的性质。作为可替代s i 0 2 的栅介质材料，i l i a 、i t i b 、i v b 族金属氧化物中的很多 材料如舢2 0 3 、y 2 0 3 、t a r 0 5 、t i 0 2 等得到了广泛的研究，最近两年来研究最多 的是h f 0 2 和z r 0 2 ，同时，还有很多金属的铝酸盐和硅酸盐。另外，还发展了伪 1 0 兰州大学硕士学位论文第章引言 二元系统( p s e u d o b i n a r ya l l o y ) 2 0 - 2 4 和堆栈结构( s t a c k e ds t r u c t u r e s ) 2 s , 2 6 ，但 是究竟哪种材料最适合替代s i 0 2 目前尚无定论。以下我们简单的介绍a h 0 3 及相 关栅介质的研究现状 由表1 - 3 可见，a 1 2 0 3 具有大的带隙和势垒高度、与s i 在高温下的稳定性好， 以及在整个工艺过程中始终为非晶态等优点，但是其介电常数只有8 1 0 ，只能 适于未来l 2 代的技术需求。利用热氧化方法已经制成了e o t = o 9 6 n m ，实际 物理厚度为2 1 n m 的a 1 2 0 3 栅介质薄膜，其界面态密度为d n ，3 x 1 0 1 0 c m - 2 e v ， 薄膜中存在负的固定电荷，平带电压的偏移为v 庐+ 6 0 0 m v 。利用该栅介质的 m o s f e t 具有良好的晶体管特性，尤其是应力感应的泄漏电流效应( s i l c ) 很低。 在标准的c m o s 工艺中，利用a l c v d 的a 1 2 0 3 作为栅介质层制备了沟道为8 0 n m 的 m o s f e t ，其e o t 为1 3 n m ，采用多晶硅栅电极，在后续的快速热退火杂质激活工 艺温度t 1 0 0 0 。c 的情况下，栅电流j l o 。1 n 2 ( 在v b i 。= v f b + i v 时) ，比相同 e o t 的s i 0 2 栅介质时的漏电流降低了两个数量级。但是由于界面态密度较高，在 等效电场为i m v c m 的条件下采用a 1 2 0 3 作为栅介质的m o s f e t 的迁移率只是s i 0 2 栅介质m o s f e t 的一半。 现在制作a 1 2 0 3 的方法很多，主要是多种c v d 和p v d 方法，制作出的a 1 2 0 3 的性能也有了更迸一步的提高。 c h i n 等人口7 1 利用热蒸发后氧化的方法沉积了氧化铝薄膜。当等效厚度为 2 i n m 时，漏电流约为1 0 s a c m 2 ，与同样厚度的s i o 。相比，漏电流降低了7 个量级。 在随后的研究中，他们沉积了物理厚度为2 i n m 的薄膜，其等效厚度为0 9 6 n m ， 界面态密度为3 1 0 1 0 c m 2 e v ，平带电压为+ 6 0 0 e v ，说明薄膜中存在负的固定电荷。 南京大学s h a oq i y u e 等a z 8 1 利用m o c v d 方法制作出的e o t = 1 2 n m 的氧化铝薄 膜，退火后在l v 栅极偏压下的漏电流j a = 8 删c m 2 。并且制出t e o t = o 8 2 r i m 的氧 化铝薄膜。 北大韩汝琦等人【2 9 1 对氧化铝高k 栅介质的可靠性进行了研究。e o t = 3 4 5 n m 的 氧化铝薄膜表现出典型的软击穿或预击穿特征。氧化铝栅介质发生软击穿后，仍 然保持较好的介电特性，这与传统的s i 0 2 栅介质的软击穿非常相似。 因为氧化铝的k 值相对于u l s i 发展所需的k = 1 5 较小，所以，为了提高氧化铝 的k 值，人们采取了向其中加入过渡元素的办法，来提高其k 值。m i c h a e lh a v e a y 兰州杰堂硬主堂焦堡塞第一章引言 等人 3 0 】利用密度泛函理论预测了过渡金属元素( n b ，z r ，y ，s c ) 掺杂灿2 0 3 的 能带结构，研究显示：与n b ，z r 相比，y ，s c 的掺入没有改变a 1 - ；0 3 的能带宽度 和与硅的大的能带补偿。j u n g 等人【3 l 】利用x p s 和x a s 研究了以上四种过渡金属掺 杂氧化铝与硅的价带补偿和导带补偿，实验结果与h a v c r t y 的理论预测一致 l m a n c h a n d a 等人【1 2 】用溅射的方法制作了0 5 z r 和1 s i 掺杂的氧化铝，掺 杂物的加入使测量到的漏电流减d , 至u 1 0 1 3 a r a m 2 ，同时也使禁带中的界面态密度 减小到 5 1 0 ”c m 2 一e v 他们提出了氧化铝掺杂的概念：理论工作表明，掺杂物可 以作为网格的调节物，从而消除氧化铝中过剩的氧悬键，进而减小传导电流和界 面态密度。另外，网格的调整同时使其非晶态变得稳定。 第四节本章小结 1 s i 0 2 s i 界面具有优良的特性，但是在按比例缩小的过程中，s i 0 2 已经不能再 进一步担当m o s 管栅介质的角色。理论上s i 0 2 只能缩小到0 7 n m 的厚度。 2 高介电常数材料不仅必须具有高的介电常数值，而且还要满足一系列要求。 3 a 1 2 0 3 在众多的电介质中，因其优异的整体性质而脱颖而出，但是其介电常数 不够大而只能满足微电子工业的短期要求。 4 适当掺杂方法可以在保持a 1 2 0 3 整体性质的情况下，提高其介电常数。部分 研究者的实验和理论结果也证明了掺杂a h 0 3 的应用可行性。 兰州大学硕士学位论文。 第一章引言 参考文献： 1 g e m o o r e ，i e e e i e d m t e c h d i g ( 19 7 5 ) 1 1 2 a n g u si ，k i n g o n , j o n - p a u lm a r i a , s k s t r e i f f e r , n a t u r e4 0 6 ( 2 0 0 0 ) 1 0 3 2 3 施敏著，刘晓彦，贾霖，康晋锋译，现代半导体物理，北京：科学出版社 2 0 0 1 4 h t t p ：p u b l i c i t r s n e t 5 s h l o ，d a b u s h a n a n , y t a u r , w w a n g ，i e e ee l e c t r o nd e v i c el e t t 1 8 ( 1 9 9 9 ) 2 0 9 6 a h a r t s e i n , n e a l b e r t ，a a b r i g h t e ta 1 ，j a p p l p l a y s 6 8 ( 1 9 9 0 ) 2 4 9 3 7 t h en a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y a s s o c i a t i o n ，1 9 9 9 8 m s c h u l z ，n a t u r e3 9 9 ( 1 9 9 9 ) 7 2 9 9 p a p a c k a n ，s c i e n c e2 8 5 ( 1 9 9 9 ) 2 0 7 9 1 0 c f i e g n aa n da a b r a m o ，i e e e t r a n s e l e c t r o nd e v i c e s4 5 ( 1 9 9 8 ) 8 7 7 1 1 甘学温，纳米c m o s 器件，北京：科学出版社( 2 0 0 4 ) 1 2 l m a n c h a n d a ，m d m o r r i s ，m l g r e e n , e ta 1 ，m i c r o e l e c t r o n e n g 5 9 ( 2 0 0 1 ) 3 5 1 1 3 g d w i l k ，r m w a l l a c e ，a n t h o n y , j a p p l p h y s 8 9 ( 2 0 0 1 ) 5 2 4 3 1 4 j r o b e r t s o n , j v a c s c i t e c h n 0 1 b1 8 ( 2 0 0 0 ) 1 7 8 5 1 5 j r o b e m o n a n d c w c h e n , a p p l p h y s l e t t 7 4 ( 1 9 9 9 ) 1 1 6 8 16 阎志军，兰州大学博士论文( 2 0 0 4 ) 9 1 7 j d p l u m m e ra n dp b g r i f f m ，p r o c e e d i n g so f t h ei e e e ，8 9 ( 2 0 0 1 ) 2 4 0 1 8