高k栅介质Ge MOS器件界面钝化层材料及工艺优化研究

作     者：刘晓宇 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐静平

授予年度：2017年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Ge MOS 高k栅介质 界面钝化层 界面态密度 等离子体处理 

摘      要：传统Si基CMOS器件经过几十年的持续发展和进步已日益接近其物理极限,很难满足小尺寸和低功耗的进一步需求。Ge是目前已知空穴迁移率最高的半导体材料,在制备PMOSFET方面显示出极大优势。高k栅介质的应用使Ge沟道材料成为最有前景的替代方案之一。然而,高k栅介质与Ge沟道之间易形成退化器件性能的GeO(x2),成为阻碍Ge MOSFET发展的关键问题。因此本文围绕界面钝化层材料及工艺优化两个方面对高k栅介质/Ge MOS器件界面特性和电学性能的改善进行研究。首先,制备了HfTiON作高k栅介质和TaON作界面钝化层的Ge MOS器件,对其制备工艺进行研究。分别研究了400°C、500°C、600°C三种不同温度下热退火处理以及NH、N两种不同气氛下等离子体处理对器件界面特性和电学性能的影响,确定出合适的热退火处理温度和等离子体处理气氛。结果表明,500°C下热退火处理并对TaON界面层进行NH等离子体处理的样品具有更小的界面态密度(D=9.54×10eV-cm-)和栅极漏电流密度(J=9.49×10- A/cm@V=1 V)。在上述研究基础上,对HfTiON/TaON/Ge堆栈结构的三个不同界面,即Ge表面、TaON表面、HfTiON表面,分别进行NH等离子体处理,对比分析了不同界面NH等离子体处理对器件界面特性和电学性能的影响。结果表明,对Ge表面进行NH等离子体处理能获得更好的界面特性以及电学性能:界面态密度D=4.79×10 eV-cm-,栅极漏电流密度J=3.43×10- A/cm@V=1 V,器件性能得以提升。为进一步减小栅极漏电流密度,提升器件可靠性,采用Y掺杂的TaON作为界面钝化层制备了Ge MOS器件,研究Y掺杂对器件界面特性和电学性能的影响,并对掺Y含量进行优化设计。结果表明,TaON中掺入适量Y元素可有效改善Ge MOS器件的界面质量和电学性能;Y/(Y+Ta)的原子含量百分比为24.6%的样品获得了最佳的界面特性和电学性能:界面态密度D=2.83×10 eVcm和栅极漏电流密度J=2.57×10 A/cm@V=1 V。