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Investigation on interfacial and electrical properties of ge mos capacitor with different NH_3-plasma treatment procedure

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Journal of Semiconductors 2017年第8期38卷 38-43页

作者： Xiaoyu Liu Jingping Xu Lu Liu Zhixiang Cheng Yong Huang Jingkang Gong School of Optical and Electronic Information Huazhong University of Science and Technology

The effects of different NH3-plasma treatment procedures on interracial and electrical properties of ge mos capacitors with stacked gate dielectric of HtTiON/TaON were investigated. The NH3-plasma treatment was performed at different steps during fabrication of the stacked gate dielectric, i.e. before or after interlayer （TaON） deposition, or after deposition ofhigh-k dielectric （HfriON）. It was found that the excellent interface quality with an interface-state density of 4.79 × 101l eV-lcm-2 and low gate leakage current （3.43 ×10-5 A/cm2 at Vg = 1 V） could be achieved for the sample with NH3-plasma treatment directly on the ge surface before TaON deposition. The involved mechanisms are attributed to the fact that the NH3-plasma can directly react with the ge surface to form more ge-N bonds, i.e. more geOxNy, which effectively blocks the inter-diffusion of elements and suppresses the formation of unstable geOx interfacial layer, and also passivates oxygen vacancies and dangling bonds near/at the interface due to more N incorporation and decomposed H atoms from the NH3-plasma.

关键词： ge mos NH3-plasma treatment TaON interlayer stacked gate dielectric

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Improved interfacial and electrical properties of ge mos devices with ZrON/geON dual passivation layer

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Journal of Semiconductors 2016年第5期37卷 43-47页

作者：袁文宇徐静平刘璐黄勇程智翔 School of Optical and Electronic Information Huazhong University of Science and Technology

The interracial and electrical characteristics of ge metal-oxide-semiconductor （mos） devices with a dual passivation layer of ZrON/geON formed by NH3- or N2-plasma treatment are investigated. The experimental results show that the NH3-plasma treated sample exhibits significantly improved interfacial and electrical properties as compared to the samples with N2-plasma treatment and no treatment： a lower interface-state density at the midgap （1.64 × 1011 cm-2, eV- 1） and gate leakage current （9.32 × 10-5 A/cm2 at Vfb ＋ 1 V）, a small capacitance equivalent thickness （1.11nm） and a high k value （32）. X-ray photoelectron spectroscopy is used to analyze the involved mechanisms. It is indicated that more geON and less geOx （x 〈 2） are formed on the ge surface during NH3-plasma treatment than the NE-plasma treatment, resulting in a high-quality high-k/ge interface, because H atoms and NH radicals in NHa-plasma can enhance volatilization of the unstable low-k geOx, creating high-quality geON passivation layer. Moreover, more nitrogen incorporation in ZrON/geON induced by NHa-plasma treatment can build a stronger N barrier and thus more effectively inhibit in-diffusion of O and Ti from high-k gate dielectric and out-diffusion of ge.

关键词： ge mos NH3 plasma interface properties ZrON/geON dual passivation layer

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高k栅介质ge mos器件界面钝化层材料及工艺优化研究

高k栅介质Ge MOS器件界面钝化层材料及工艺优化研究

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作者：刘晓宇华中科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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(xge 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。

关键词： ge mos 高k栅介质界面钝化层界面态密度等离子体处理

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Hf1-xLaxON栅介质ge mos界面及电特性研究

Hf1-xLaxON栅介质Ge MOS界面及电特性研究

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作者：丑攀华中科技大学

学位级别：硕士

Cmos集成电路按照摩尔定律不断向前发展,晶体管尺寸越来越小。选择高迁移率的ge替代逼近物理极限的Si制备高性能器件是一个突破当前困境的解决方案。但ge mos遇到的主要挑战是较差的栅介质/ge界面质量和电性能。围绕此问题,本文采用HfL... 详细信息

Cmos集成电路按照摩尔定律不断向前发展,晶体管尺寸越来越小。选择高迁移率的ge替代逼近物理极限的Si制备高性能器件是一个突破当前困境的解决方案。但ge mos遇到的主要挑战是较差的栅介质/ge界面质量和电性能。围绕此问题,本文采用HfLaON作为栅介质进行ge mos器件制备,对其界面质量和电性能开展研究,并探究了氨等离子体对栅介质进行处理的钝化效果;理论方面,利用Sentaurus TCAD软件,建立了相应的ge mos栅极漏电特性仿真模型,并与实验结果进行对比。实验方面,通过制备HfLaON/ge mos器件,研究了栅介质退火温度和La含量对器件性能的影响。在最佳La含量和退火温度下,在ge表面生长的亚氧化物ge O有效减少,器件具有较高的k值(～20.38)、栅极漏电降低(～3.91×10A/cmV=V+1 V)、界面态密度有效降低到～1.83×10cme V。在上述研究基础上,进一步采用NH等离子体分别对ge表面和介质表面进行处理,研究其钝化效果对器件性能的影响。结果表明,NH等离子体对HfLaON表面进行钝化处理,可以使更多的N结合到氧化物薄膜中,有效地填补氧空位缺陷并抑制ge O的生成,器件呈现出高的k值(～23.40)、栅极漏电流密度在V=V+1 V时降低到～2.32×10A/cm、界面态密度进一步降低到～9.51×10cme V。理论方面,对不同栅介质材料、模拟分析了栅介质不同物理厚度和等效氧化层厚度下ge mos器件的栅极漏电特性。结果表明,FN隧穿、直接隧穿和陷阱辅助隧穿机制对栅极漏电都有影响,在超薄氧化层物理厚度和高场条件下,主要机制是FN隧穿和直接隧穿效应;陷阱辅助隧穿主要在低场和中等场范围起作用,在界面态密度较高时将引起大的栅极漏电。因此选用k值较高、带隙较大的介质材料,并使得介质/ge的界面态密度大大降低对提高ge mos器件性能十分重要。

关键词： ge mos 高k栅介质界面特性 NH3等离子体处理栅极漏电流

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