论文部分内容阅读
当MOSFET器件按比例缩小到70nm尺寸以下时，传统的SiO2栅介质的厚度将需要在1.5nm以下，如此薄的SiO2层产生的栅泄漏电流会由于显著的量子直接隧穿效应而变得不可接受，器件可靠性也成为一个严重的问题。高K栅介质材料已经被广泛地研究来替代SiO2，以降低栅泄漏电流和改善可靠性，其中，HfO2由于其较大的介电常数、较大的禁带宽度、与Si的导带和价带较大的偏置、以及与Si的高的热力学稳定性等特征，被认为是最有希望的替代SiO2的栅介质材料之一。 本论文选择HfO2高K栅介质作为研究对象，利用反应溅射方法制备了HfO2栅介质薄膜；仔细分析了不同的工艺制备条件对其HfO2栅介质电学性质和可靠性的影响；分析了HfO2栅介质中的漏电流机制和应力感应的漏电流（Stress-induced leakage current，SILC）效应以及工艺条件的影响；同时还利用反应溅射方法制备了氮化的HfO2（HfOxNy）栅介质薄膜，研究了HfOxNy高K栅介质的电学特性。 研究取得的一些有意义的结果，主要有： 1)我们成功制备了等效氧化层厚度（EOT）小于3.5nm，漏电流密度小于10-7A／cm2@Vg=-1V的HfO2栅介质薄膜； 2)研究了不同的Si衬底表面制备工艺对HfO2栅介质性能的影响。结果表明，与传统的HF清洗的Si表面相比，NH4F清洗的Si表面与HfO2具有更好的热力学稳定性，因而可获得更低的EOT和栅泄漏电流密度； 3)研究了溅射气氛和退火工艺对HfO2栅介质薄膜性质的影响。研究显示，溅射氛围中增加氧分压和在氧气氛退火有助于减小HfO2栅介质的漏电流。栅泄漏电流的减小可归于氧空位缺陷的减小，即高的溅射氧气氛和氧气氛退火有助于减小HfO2栅介质中的氧空位缺陷； 4)研究了反应溅射制备的HfO2栅介质漏电流机制及其SILC效应。研究表明，在优化工艺条件下制备的HfO2介质层中，衬底注入条件下 由于其较低的体和界面缺陷密度，漏电流的输运机制主要以schottky 发射为主;SILC效应导致HfOZ/Si界面缺陷态的增加，从而使得衬 底注入条件下，栅泄漏电流机制不仅有schottky发射还有F一P发射 机制起主要作用;5)初步研究了氮化的HfO:（HroxNy）栅介质的电学特征。结果表明， 与HfO:相比，氮化的HfO:具有小的漏电流。 我们的研究结果有助于进一步了解Hro:栅介质的泄漏电流机制和SILC效应的特征，为进一步优化HfO:高K栅介质的制备工艺提供指导。