高性能锗沟道金属—氧化物—半导体场效应晶体管的制备技术及性能研究

【摘要】随着硅(Si)基MOSFETs器件的缩小逼近其物理极限,提高其性能已经变得越来越困难,因此对新材料新结构的研究将变得越来越重要。一方面,锗(Ge)因其具有较高的空穴迁移率和电子迁移率而成为在未来CMOS器件中最有潜力替代Si的新沟道材料。另一方面,高介电常数(high-k)栅介质因其具有更高的介电常数而有利于栅氧化层厚度的进一步减小。所以,high-k栅介质Ge基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(GeMOSFETs)正在国际范围内受到广泛的关注。要获得高性能high-k/Ge栅极叠层结构MOSFET器件,超薄的等效氧化物厚度(EOT)和高质量的MOS界面是必不可少的。本论文以实现高性能低功耗新沟道材料CMOS器件为研究目标,开展了Ge基片清洗、臭氧后氧化工艺、GepMOSFETs的制备技术、GepMOSFET的电学特性如迁移率特性以及可靠性等一系列基础研究。为了获得高质量Al2O3/Ge界面,本文首先对比研究了Ge基片的两种清洗方案,并通过原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)以及电学性能测试等手段考察了Ge基片的清洗效果,通过优化的清洗方案获得了高洁净度低粗糙度的Ge基片表面。提出了一种新颖的臭氧后氧化(OPO)技术。通过自主研制搭建的可变温臭氧氧化设备对Al2O3/Ge栅极堆叠结构进行臭氧后氧化处理,以研究常温、高温臭氧后处理工艺对Al2O3/Ge界面特性的影响。经过研究发现,400℃～450℃高温臭氧原子可穿过小于0.6nm的ALD-Al2O3盖帽层,在Al2O3/Ge界面处形成GeOx界面层,实现对Al2O3/Ge界面的钝化。研究了常温臭氧后氧化工艺对Al2O3(～3.6nm)/Ge栅极叠层结构MOS电容性能的影响。XPS研究发现,通过一定时间的常温臭氧后氧化处理,可使栅介质层中的缺氧的铝氧化物向符合化学计量比的A1203转变,有效地减少了A1203栅介质中氧空位缺陷,增加了A1203栅介质的介电常数,在不形成低介电常数GeOx界面层的同时减小了GeMOS电容的EOT和栅极漏电流密度(Jg)。为了获得高质量的界面特性,提高GepMOSFETs器件的沟道载流子迁移率,本文对GepMOSFETs中的Al2O3/Ge栅极叠层结构进行了高温(400℃、450℃)臭氧后氧化处理,通过对Al2O3/Ge界面的钝化,有效降低了Al2O3/Ge界面处的界面态(Dit)密度以及慢态陷阱密度,显著提高了GepMOSFETs的空穴有效迁移率(最高503cm2/Vs)。为了考察臭氧后氧化工艺对GepMOSFETs器件的负偏压温度不稳定性(NBTI)以及栅介质耐压特性等可靠性的影响。本文制备了四组经过不同时间高温(450℃)臭氧后处理的样品,并且从四组样品中各随机选取了50个器件作为研究对象。研究发现臭氧后氧化处理,可有效改善器件的NBTI特性和耐压特性。
【作者】孙家宝；
【导师】赵毅；
【作者基本信息】南京大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】新沟道材料；臭氧后氧化；晶体管制备；界面态；迁移率；可靠性；

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