应变SiyC1-y/高k栅介质界面控制及电学特性研究

高k介质与Si衬底界面特性是决定高k介质/金属栅场效应管器件载流子迁移率的主要因素。本项目针对22nm以下技术节点的场效应管器件，通过引入晶格常数远小于Si的碳原子，增加沟道内的张应力，改善界面特性以提高电子迁移率。应用等离子体增强原子层沉积技术生长应变SiyC1-y材料，开展La、Dy等掺杂的Hf基高k栅介质薄膜/应变SiyC1-y界面控制及电学特性研究。在探明SiyC1-y应力分布的基础上，控制La、Dy等掺杂的Hf基栅介质薄膜/应变SiyC1-y界面产物，研究Hf基栅介质/应变SiyC1-y堆叠结构的载流子迁移率等电学特性，改善栅堆叠结构的质量，拓展应变SiyC1-y /Hf基栅介质堆叠结构在22 nm以下场效应晶体管器件中的应用，并为场效应管器件的制备与应用提供重要的参考。

结合应变SiC技术与高k栅介质材料的优点，以等离子体增强原子层沉积技术生长应变SiyC1-y材料为衬底，开展了稀土元素掺杂的高k栅介质薄膜/应变SiyC1-y界面控制及电学特性研究。本课题针对上述核心科学问题进行了深入研究，获得了一系列研究成果包括12篇SCI论文，授权国家发明专利1项，培养毕业博士研究生2人，硕士研究生5人。首先，在深入调研了高k介质/SiC结构界面调控及其电学特性的研究进展基础上，探究了随半导体器件尺寸等比缩小，SiC功率MOS器件出现的栅泄漏电流大、耐击穿性能差等问题，理论模拟了Al/Al2O3/SiyC1-y结构的可靠性和驱动性能，为Al2O3栅介质替代SiO2应用于SiC-MOS器件提供了参考。在此基础上，引入石墨烯二维材料异质结构作为界面插入层，对比研究了SiC/二维材料异质结构/高k栅介质结构的界面特性，尤其是氧扩散行为等，为SiC基器件高k栅介质的界面控制及性能优化提供了可能的解决途径，并探索了新型电子器件如忆阻器、电致变色器件、氧化物微纳米器件等的制备及工作机理等。基于本课题上述方面的探索和研究，前期工作积累已申请到了另一项国家自然科学基金面上项目的资助，进而对新一代电子器件的电学特性及可能应用做进一步研究。