铪基稀土氮氧化物高k栅介质的带隙和缺陷控制及其电学性能研究

铪基氧化物高k栅介质已成功应用于Intel的45nm和32nm技术节点，为促进HfO2在更先进CMOS工艺中的应用，应解决其带隙偏小、缺陷态密度偏高等物理问题。稀土La、Gd以及N对HfO2带隙及带偏移、缺陷抑制等均有影响，但它们对HfO2共同作用规律的研究较少，缺乏系统性的实验研究且未建立相关基础理论。当前多元氮氧化物高k是高k材料研究的热点，本项目拟开展多元HfLaON和HfGdON高k的研究。研究La或Gd和N对HfO2带隙和带偏移、氧空位、界面反应和界面缺陷等的作用机理，探索它们的共同作用规律，获得基础性能数据，结合电学性能的表征建立相关基础理论，为铪基稀土氮氧化物高k成分及工艺设计提供理论指导。形成带隙及带偏移调控、缺陷态控制技术，确定合适的La或Gd及N的掺杂量，最终获得综合性能理想的多元铪基稀土氮氧化物高k栅介质成分及制备工艺。

本项目开展了铪基氧化物高k栅介质在更先进CMOS工艺中应用出现的带隙偏小、缺陷态密度偏高等物理问题的研究，主要研究Gd和N对HfO2带隙和带偏移、氧空位、界面反应和界面缺陷等的作用机理，探索它们的共同作用规律。通过本项目的研究发现：.Gd掺杂有利于增加铪基氧化物的带隙和导带偏移量。N掺杂减少Hf-Gd-O高k栅介质薄膜的带隙，且掺杂量越多，带隙降低越多，但由于Gd的作用，带隙的减小并不显著。N的掺杂有利于导带偏移的增加，明显改善Hf-Gd-O高k栅介质导带和价带偏移不对称的问题。Gd和N掺入量的调节可以实现对多元铪基稀土氮氧化物高k带隙和带偏移的调控。.HfO2中掺Gd能对氧空位在带隙中形成的缺陷能级有明显的钝化作用，从而降低PL峰强度和缺陷辅助的漏电流。N原子占据氧空位或者掺N提高了氧空位形成能也抑制氧空位的形成。因此，Gd和N共掺显著钝化了HfO2中的氧空位。.Hf-Gd-O薄膜在氮气或NH3气氛中经过RTA处理有利于抑制界面低k层的生长以及电荷捕获和释放。对不同N掺杂量Hf-Gd-O-N薄膜的N1s、Si2p和O1sXPS芯能级的分析可知，在HfxGdyON薄膜中，随着N含量的增加，氧扩散和界面反应程度降低，即通过掺N获得了对界面层及界面缺陷的控制。.成形退火处理FGA不但有效地减少了界面态，而且还减小了带正电的界面固定电荷和体电荷，使Hf-Gd-O-N高k栅介质堆栈结构具有理想的综合性能。.总之，本项目主要研究了Gd和N掺杂量对HfO2带隙及带偏移、氧空位、界面反应及界面缺陷影响的规律及共同作用的规律，形成了相关基础理论，确定了合适的Gd和N掺杂量，结合成形气氛退火FGA工艺优化研究，获得了综合性能理想的多元铪基稀土氮氧化物高k栅介质。本项目达到预期目标，通过本项目的实施在国内外有影响的期刊上发表论文12篇；申请国家发明专利2项，其中1项已公开；培养博硕研究生3名。