Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底上铪基高k栅介质界面特性研究

微电子技术发展到45nm节点以下，传统SiO2栅介质将被高介电常数(高k)介质替代，具有较高电子迁移率的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体衬底（如GaAs）很有可能替代Si衬底来满足更高速、低功耗nMOS的要求。直接在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体衬底上生长高k栅介质会造成高缺陷密度的界面层存在，导致费米能级钉扎、等效电容密度降低，器件沟道区无法形成反型层。本项目利用等离子体增强原子层沉积（PEALD）方法在GaAs等半导体衬底上低温生长铪基高k栅介质。通过等离子体原位钝化GaAs表面，结合等离子体脉冲时间、能量、及流量的调控来实现高k介质低温生长。研究等离子体钝化和金属前驱体自清洁作用对界面层特性的影响，研究作用机理，解决高缺陷密度界面层问题，提高界面层和高k介质层质量，为 Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底/高k栅介质材料体系应用奠定理论和实践基础。

具有较高介电常数（高k）介质薄膜技术的发展可保障硅基微纳器件尺寸不断减小时仍维持较低的泄漏电流、提高Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件HEMT性能可靠性、以及改善无源器件MIM电容密度等。原子层沉积（ALD）由于自限制生长、大面积、层数可控等优势，是高k薄膜主要生长技术。 由于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的自然氧化物稳定性差，需要在高k薄膜生长过程中针对表面进行钝化，抑制其自身氧化物的生长、降低缺陷密度高的界面层生长。其次，ALD方法生长的高k介质薄膜通常氧空位、羟基含量高，造成介电常数较低，需要通过调控薄膜化学组成，获得介电常数高、结晶温度高、禁带宽度大的介质薄膜。 鉴于此，本项目分别针对GaAs、InP、GaN、以及graphene四种沟道材料体系的界面钝化技术和ALD介质薄膜生长技术进行了研究，同时设计了MIS电容结构，Schottky二极管结构和HEMT结构，验证了高k薄膜的电学性能。（1）针对GaAs、InP、GaN等Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底表面采用等离子增强沉积技术中的NH3等离子体原位钝化处理，结合氧化物薄膜生长后的O2等离子体后处理技术，实现了界面缺陷钝化、提高了介质电学性能。针对（111）GaAs, 该界面钝化处理后再生长La2O3/HfO2叠层结构介质薄膜， GaOx和AsOx含量显著减小，介质等效栅氧厚度达到1.4nm，介电常数达到23。GaN表面采用NH3等离子体原位处理后未探测到氧化物界面层的存在，HfO2层是部分结晶、立方相和四方相共存，HfO2/La2O3叠层叠层介电常数高达36， 击穿场强5.5 MV cm-1。（2）GaN表面采用石墨烯为钝化层再生长Al2O3介质薄膜技术有效降低介质漏电和抑制电流崩塌效应。HEMT器件在关态应力作用后，没有石墨烯钝化的器件开态电流降低27.6%， 而有石墨烯钝化的结构，电流仅降低4%。 （3）创新性提出利用石墨烯表面范德瓦尔斯力物理吸附的水分子作为原子层沉积技术中与金属前驱体反应的氧化剂和薄膜成核点，通过自限制反应直接生长高k介质纳米薄膜。该技术温和且高效，不会对石墨烯造成破坏，且生长出的高k薄膜致密无针孔，表面粗糙度低至0.5 nm以下。上述研究结果已经应用到GaN HEMT器件设计和石墨烯器件研究中。