（材料学专业论文）下一代mosfet用hfo2高介电常数栅介质薄膜的研究.pdf

摘要 伴随着微电子技术的飞速发展，c m o s 器件的集成度越来越高，使得晶体管 的特征尺寸越来越小。随着晶体管尺寸的减小，介质层正在以超摩尔定律的速度 减薄并接近其物理极限。许多尖锐的问题包括隧穿漏电流所带来的功耗激增、载 流子迁移率的降低使继续使用传统的s i o ：做下一代m o s f e t 的栅介质已经成为不 可能。高介电常数材料由于其在能够保持等效氧化层厚度不变的情况下，增加栅 介质层的物理厚度，从而大大减小直接隧穿效应和提高栅介质承受电场的强度成 为近些年来研究的热点。在众多h i g h - k 材料中，h f o 。以其相对高的介电常数( k 2 5 ) ，宽禁带宽度( 5 电子伏特) ，好的热稳定性以及化学稳定性而成为人们 公认最有希望取代s i o ：的材料。 本文采用脉冲激光沉积制备了具有低粗糙度( 均方根粗糙度小于0 5n m ) 、 合适介电常数( k 2 7 ) 和低漏电流的h f o ：栅介质薄膜及其m o s 器件。系统地研 究了不同的退火条件对h f o 。薄膜的物理、电学性能的影响。采用n 2 退火有效地 消除了h f o ：s i 之间的界面，明显地降低了h f o 。栅介质中的缺陷。在此基础上， 原位电离氮的引入提高了h f o ：薄膜热稳定性并有效地控制了h f o 。s i 之间的界 面，同时电学性能也得到显著提高。另外我们还深入研究了以h f o ：为栅介质的 m o s 器件的漏电流传导机制。对于寻找合适的金属电极我们也做了初步的尝试。 关键词：介质薄膜；激光沉积；m o s 器件；界面 a b s t r a c t ： t h es u c c e s so ft h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yr e l i e so nt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f i n t e g r a t e dc i r c u i t sp e r f o r m a n c e s t h i si m p r o v e m e n ti s a c h i e v e db yr e d u c i n gt h e d i m e n s i o n so ft h ek e yc o m p o n e n to ft h e s ec i r c u i t s ：t h em e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ( m o s f e t ) t h ed i m e n s i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e sh a ss h r u n k c o n t i n u o u s l y t oa v o i ds h o r tc h a n n e le f f e c t ，t h es c a l i n gr a t eo fo x i d et h i c k n e s sh a s a l r e a d yr e a c h e dp h y s i c a ll i m i tf a s t e rt h a ne x p o r t e r sp r e d i c t e d v a r i o u sp r a c t i c a li s s u e s m a yl i m i tt h et h i c k n e s ss c a l i n ga sw e l l t h e s ei n c l u d ep o w e rd i s s i p a t i o nd u et od i r e c t t u n n e l i n g ，t h ed e g r a d a t i o no fm o b i l i t yd u et oi n c r e a s i n gv e r t i c a l e l e c t r i cf i e l d ，e t c u s i n gan e wm a t e r i a lw i t had i e l e c t r i cc o n s t a n tg r e a t e rt h a nt h a to fs i 0 2t or e p l a c e s i 0 2f i l ma sg a t ed i e l e c t r i ci sa ni n d i s p e n s a b l et a s k h f 0 2h a sah i g hp o t e n t i a lf o r n e x t - g e n e r a t i o nd e v i c ea p p li c a t i o nu s i n gm e r i t sa sc o n s i d e r a b l yl a r g ee n e r g y b a n dg a p ( 5e v ) ，h i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( a b o u t2 5 ) a n dc o m p a t i b i l i t yw i t hc o n v e n t i o n a l c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) p r o c e s s e sb e c a u s eo ft h et h e r m a l s t a b i l i t y i nt h i sr e s e a r c h ，h f 0 2g a t ed i e l e c t r i ct h i nf i l m sw i t hs m o o t hs u r f a c e ( r m sr o u g h n e s s 5e v ) ，a n dg o o dt h e r m a la n dc h e m i c a ls t a b i l e s 【1 3 ，2 4 ，2 5 】 a n o t h e ri m p o r t a n ta s p e c tf o ro b t a i n i n gah i g h - q u a l i t yd i e l e c t r i cl a y e ri st h ef a b r i c a t i o n m e t h o d s e v e r a lm e t h o d ss u c ha sc o n v e n t i o n a ls p u t t e r i n g 2 6 。2 s 】，p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 2 9 , 3 0 ， a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n t 3 1 , 3 2 ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n f 3 3 】，e t c ，h a v ea l r e a d yb e e ne m p l o y e d ， b u tt h eg r o w t ho fh i g hq u a l i t yh f 0 2t h i nf i l m sb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) h a sn o tb e e n s t u d i e dm u c h a sw ek n o wt h i sd e p o s i t i o nm e t h o dp r o v i d e se x p e r i m e n t a ls i m p l i c i t ya n d f l e x i b i l i t ya c c o m p a n i e db yt h ep o s s i b i l i t yo fm a i n t a i n i n gt h et a r g e ts t o i c h i o m e t r ya n du s i n g l o w e rg r o w t ht e m p e r a t u r e s i nt h i ss t u d y , w ef o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh f 0 2f i l m sg r o w no ns iu s i n gt h ep l d s y s t e m w ei n v e s t i g a t e dt h ea n n e a l i n gc o n d i t i o ne f f e c t so nt h ep h y s i c a la n dt h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fh f 0 2g a t ed i e l e c t r i ct h i nf i l m s 2 2e x p e r i m e n td e t a i l s t h eh f 0 2f il m sw e r ed e p o s i t e da tr o o mt e m p e r a t u r ef r o mah f 0 2c e r a m i ct a r g e t ( p u r i t y 9 9 9 9 ) w i t hat a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c eo f4c m ，u s i n gak r fe x c i m e rp u l s e dl a s e r ( l a m b d a p h y s i k ，五= 2 4 8 n m ) o p e r a t e da t5h za n de n e r g yo f3 0 0m j p u l s ew a sa c h i e v e t h ep - t y p es i ( 10 0 ) w a f e r sw i t h8 - 13 q 水c mr e s i s t i v i t yw e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t s p r i o rt od e p o s i t i o n ， t h es is u b s t r a t e sw e r ef i r s t l ys t a n d a r dc l e a n e d t h ec h a m b e rw a sp u m p e dd o w nt ob a s e c h a p t e r2s t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f l i f 0 2h i g h kf i l m sp r e p a r e db yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n p r e s s u r eo f - - 。2 x10 6t o r ra n dt h eo x y g e np a r t i a lp r e s s u r ed u r i n gd e p o s i t i o nw a sm a i n t a i n e d a t1 5 10 由t o r r d u r i n gf i l m sd e p o s i t i o nt h et a r g e ta n ds u b s t r a t ew e r ec o n t i n u o u s l yr o t a t e dt o a v o i dt h ef o r m a t i o no fc r a t e r s t h el a y e rt h i c k n e s so f7 5 9n i l ( a s d e p o s i t e d ) ，9 0 8n l n ( a n n e a l e di na i r ) a n d4 9 9n n l ( a n n e a l e di nn 2 ) w e r em e a s u r e db ys p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y t h es t r u c t u r ew a s a n a l y z e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x e , j 9 ， b r u k e r d 8 ) m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o rc a p a c i t o r sw e r ef a b r i c a t e d b ym a g n e t i cs p u t t e r i n gap t - - t o p e l e c t r o d et h o u g has h a d o wm a s k t h eb a c ks i d eo ft h ew a f e rw a sh fc l e a n e da n dp tt h i nf i l m w a sd e p o s i t e db ys p u t t e r i n g t h ec a p a c i t a n c e - v o l t a g e ( c v ) a n dc u r r e n t - v o l t a g e ( i 一 c h a r a c t e r i s t i c sw e r em e a s u r e db yh p4 2 8 4 ap r e c i s i o nl c rm e t e ra n dh p414 5 b s e m i c o n d u c t o rp a r a m e t e ra n a l y z e r , r e s p e c t i v e l y t h ec a p a c i t o ra r e aw a s1 9 6 x10 一m 2a n dt h e c a p a c i t a n c ew a sm e a s u r e da t10k h z t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t ( kv a l u e ) i sc a l c u l a t e df r o mt h e m e a s u r e dc a p a c i t a n c ea tt h ea c c u m u l a t i o nm o d e 2 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s j 历 c o _ 三 f i g u r e2 - ix - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so ft h ea s - g r o w na n da n n e a l e dh f 0 2f i l m sa tv a r i o u sc o n d i t i o n s f i g u r e2 1 s h o w st h ex r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so ft h ea s g r o w na n da n n e a l e dh f 0 2f i l m sa t v a r i o u sc o n d i t i o n s i nf i g u r e2 1 ( a ) ，t h ea sg r o w nh f 0 2f i l m ss h o wa na m o r p h o u ss t r u c t u r e a t i e ra n n e a l i n gf o r3 0m i ni na i ra t5 0 0 。c ，s o m ed i f f r a c t i o np e a k sw h i c ha r ei d e n t i f i e df r o m m o n o c l m i cp h a s eo f h f 0 2h a v eb e e n f o u n d i ns p e c h m m ( b ) h e r e ( 一i i i ) p e a ka t2 85 0 ( 2 0 ) i n d i c t e de x i s t e n c eo f m o n o d i n i c h f 0 2 i n t h e f i l mi ns p e c t n l m ( b ) ，t h e i n t e n s i t yo f ( - 1 1 1 ) i s n e a r l y t h a to f ( 1 1 1 ) ，w h e r e a s t h e i n t e n s i t y o f ( 2 0 0 ) a n d ( 3 0 0 ) a r ev e r ys t r o n g i n d i c a t e d t h a t t h e f i l mm a yh a st h e ( 1 0 0 ) t e x t u r ea n dap a r i i a lp h a s et r a n s f o r m a t i o nt ot h eo r t h o r h o m b i cp h a s e s l a r l sa f t e r h e a t t r e a t m e n ta t5 0 0 0 c i n n 2 f o r3 0 r a i n ni sg e n e r a l l ya c c e p t e dt h a th f 0 2t e n d st os h o wm o n o c l i n i ca tr o o mt e m p e r a t u r ea n d a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，h o w e v e rt h eo r t h o t h o m b i cp h a s e sf o r m sa th i g hp r e s s u r e s ( t y p i c a l l y 35g p a ) t ： 4 1h e r ew eo b t a i no r t h o r h o m b i ep h a s e sh f o za tl o wt c m p o r a t u r e ( 5 0 0o c ) e d a t m o s p h e r i cp r e s s u r en a m e ta lf 3 5 】a l s of o u n dt h a tf i l m sp r e p a r e db yr e a c t i v ed cm a g n e t r o n s p u t t e r i n gw e r ea m o r p h o u sa f t e ra n n e a l i n ga b o v e6 5 0 。c ，t h eo r t h o r h o m b i cp h a s eo b s e r v e d i nt h eh f 0 2f i l m s 02 0 3n m ” 。 0 4 4 6 a m 0 4 9 81 1 1 1 3 f i g u n e2 - 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w e b b e r m o d ed u r i n g t h ea n n e a l i n g f i g u r e2 - 3 t h e m a i p a r t s o f t h e d i e l e c t r i c f u n c g o n f o r p l dd e p o s i t e d h 幻f i l m s t h eh f 0 2f i l m sa r em o d e l e dw i t hf o u rl a y e r s ：t h es u r f a c er o u g h n e s sl a y e gt h eh f 0 2l a y e r ， s i 0 2 一l i k ei n t e r l a y e ra n d t h es is u b s t r a t et h ec h a n g e si nt h ed i e l e c t r i c t h n c t i o n ， 5 ( e ) 2 与( ) + 峨( 扪f o rt h ea s d e p o s i t e df i l m sa n da n n e a l e df i l m sa so b t a i n e df r o m s p e c t r o s c o p i ce l i p s o m e t r ym e a s u r e m e n t sa r ep r e s e n t e di nf i g u r e2 - 3 ( t h ei m a g i n a r yp a r t s w e r en o ts h o w n ) i tc a nb es e e nt h a tt h es h a p e so f t h er e a lp a n so f t h ef i l m sr e m a i nu n c h a n g e d r e g a r d l e s so f t h ep o s t a n n e a l i n gp r o c e s si ti sw e l lk n o w nt h a td i e l e c t r i cf u n c t i o no f t h ef i l mi s c l o s e l yl i n k e dw i t hi t ss t r u c t u r ea n de n e r g y b a n ds t r u c t u r ea ss h o w ni nf i g u r e2 - 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vp i n tr f i g u r e2 - 4 ) s h o w e dt h a tt h e d e p o s i t e df i l mh a saf l a tb a n dv o l t a g e ( v n ) a r o u n d l3 4 v a f t e ra n n e a l e d i na i ra n d n 2 t h e v f as h i f t t o0 4 4 9 v t _ o3 6 5 vr e s p e c t i v e l y a n dt h ec - vc o r v e sa r em u c hs t e e p e rc o m p a r e dt ot h ea sd e p o s i t e ds a m p l et h es h i f to f v f s t o w a r dn e g a t i v ev a l u e s i sr e l a t e d w i t h t h ep r e s e n c eo f p o s i t i v ec h a r g e i n t h eo x i d ea n d o ra l t h ei n t f aew i t ht h ec s i 1 2 7 1t h ed i e l e c t r i c c o n s t a n tkc a l c u l a t e df r o mt h ea c c u m u l a t i o 】1 r e g i o ni s75 ，4 08 ，2 5i 轴rt h es a m p l ea s d e p o s i t e d ，a n n e a l e d ia i ra n dn 2 t h ev a l u e o b v i o u s l yi m p r o v e sa f t e ra n n e a l i n gd u et os o m ed e n s i f i c a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h es n l c l o r e 啪哪哪瑚咖湖枷枷枷御。椭 ct一8c凸i口日u c h a p t e r2 s t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fh f 0 2h i g h - kf i l m sp r e p a r e db yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n r e a r r a n g e m e n t ，a sa l r e a d ym e n t i o n e d t h ed r o po fa c c u m u l a t i o nc a p a c i t a n c ef o rt h es a m p l e a n n e a l e di na i rc o u l db ea t t r i b u t e dt ot h el a r g el e a k a g ec u r r e n tf r o mt h eb u l ka n di n t e r f a c i a l d e f e c t s 【3 引 t h ej - vc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e t a li n s u l a t o rs e m i c o n d u c t o r ( m i s ) s t r u c t u r e sa r ep l o t t e di n f i g u r e2 - 5 t h el e a k a g ec u r r e n td e n s i t ym e a s u r e du n d e ran e g a t i v ev o l t a g ei sl o w e rt h a nt h a t m e a s u r e du n d e r p o s i t i v ev o l t a g e i tm a y b ed u et ot h ed i f f e r e n c ei nt h ew o r kf u n c t i o nb e t w e e n t h ep te l e c t r o d ea n dp - t y p es is u b s t r a t et h a th a sb e e nr e p o r t e db yw o l fe ta l 【3 9 1a n da p h u a n g e ta 1 m 】t h ea s d e p o s i t e df i l m sa n dt h ef i l m sa n n e a l e di nn 2s h o w e ds i m i l a rl e a k a g e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a g n i t u d eo ft h e i rl e a k a g ec u r r e n td e n s i t i e sa t 一1 5va r ev e r yc l o s e t h i ss u g g e s t st h a ts a m p l e sa n n e a l e di nn 2h a v eb e t t e rd i e l e c t r i cp r o p e r t i e sc o n s i d e r a t et h e i r p h y s i c a lt h i c k n e s s h o w e v e r , t h ej vc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l ea n n e a l e di na i ra r ed i f f e r e n t i nt h es h a p ef r o mt h a to ft h ea s - d e p o s i t e ds a m p l ea n dt h es a m p l ea n n e a l e di nn 2i n d i c a t e sa d i f f e r e n tc o n d u c t i o nm e c h a n i s m t h ed e t a i lo ft h ec o n d u c t i o nm e c h a n i s mw ew i l ld i s c u s si n t h en e x tc h a p t e r t h es a m p l ea n n e a l e di n a i rh a sl o w e s tl e a k a g ec u r r e n td e n s i t i e sa b o u t 4 2 木1 0 一a c m 2 a t 1 5v t h ee l e c t r i cf i e l d ( * lo s v c m ) f i g u r e2 - 5t h ej - ec u r v e so ft h ea s d e p o s i t e da n da n n e a l e dhf 0 2f i l m sa tv a r i o u sc o n d i t i o n s 2 4s u m m a r y hf o ：f i l m sw i t hs m o o t hs u r f a c e ( r m sr o u g h n e s s 0 5n m ) w c r cs u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db y 一。芒o，iq七一一cmlj：o o翻侣卫仃。一ol|卜 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r p l d t h ep h y s i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fh f 0 2f i l mw e r ei n v e s t i g a t e d t h em o n o c l i n i c a n dt h eo r t h o r h o m b i cp h a s e sw e r eo b s e r v e da f t e ra n n e a l e da t5 0 0 。ci na i ra n dn 2r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t r u c t u r e sa n dd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，b a n dg a pe n e r g yi sd i s c u s s e d t h e d i e l e c t r i cc o n s t a n ta n de x t r a c t e dd i r e c tb a n dg a pi nr e l a t i o nt ot h es t r u c t u r ev a r i e sf r o m7 5 ， 3 4 1 ，2 9 3a n d5 3 7 ，5 3 ，5 5 7e vf o rt h ea s d e p o s i t e da n da n n e a l e dt h i nf i l m si na i ra n dn 2 ， r e s p e c t i v e l y t h ef l a t - 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