双频调制等离子体和双离子束制备复合铪基高k薄膜机理及物理特性

本项目将围绕极大规模集成电路用高k关键材料，分别采用双频调制等离子体和双离子束技术开展在传统硅衬底和新型半导体基（GaAs，Ge，SiGe, SOI, GeOI等）上用的复合铪基HfMxOy高k材料体系（掺杂元素M选择Ta、Zr、N和Si等）的研究，发展具有自主知识产权的高k材料制备新技术。本着材料制备、微结构表征、性能测试分析相结合的原则，通过调整制备工艺和参数，结合等离子体发射光谱和四极质谱监测，探求等离子体基团的种类、分布与薄膜生长物理化学过程、结构和性质的关联。通过分析样品中掺杂元素的分布、含量和成键类型等微结构重要信息，结合样品性能测试分析，实现对掺杂元素的调控和材料体系优化，揭示与掺杂元素有关的材料热稳定性、能带宽度和电学特性的作用机理。为最终制备出满足45-32nm以下技术节点CMOS应用的高k材料体系，为新型高k材料在集成电路中的应用，奠定坚实的材料和技术基础。

分别利用双离子束溅射系统和原子层沉积系统，采用共溅射和类化学沉积的手段在传统硅和新型半导体衬底（GaAs，Ge，SiGe, SOI, GeOI等）上制备复合铪基Hf1-xMxO和Hf1-xMxON高K材料纳米薄膜（复合用掺杂元素M选择Al、Si、Ta、Zr、La、N和稀土元素RE（Gd、Ce）等），研究不同条件（工作参数、掺杂元素、温度、压应力、电极等）对样品制备、结构和性能的影响，研究NH3等离子体对HfO2/SiGe界面的钝化处理。研制2台新的具有自主知识产权等离子体放电系统，分别是ICP等离子体增强溅射系统和ICP/CCP混合等离子体系统，开展多频CCP/ICP混合运行模式下N-H等离子体放电实验和含F气体等离子体放电实验，通过调整离子束制备工艺和参数，通过选择不同等离子体放电模式(包含RF,CCP, ICP/CCP混合放电），探求等离子体光谱环境、基团、离子种类和分布与薄膜生长物理化学过程、结构和性质的关联。利用XRD、AFM、SEM、TEM、XPS、紫外透射分光计等，开展对样品的结晶温度、表面形貌，界面特性以及材料化学组份的研究。借助同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）技术，解析和掺杂相关的缺陷形成机理及性能影响作用机理。通过向HfO2中分别掺杂适量Si, Ta, Zr, La, N以及稀土RE (Gd 和 Ce)等元素，成功提高了HfO2的结晶温度。HfTaO、HfSiON、HfTaON、HfZrON的结晶温度分别被提升至900℃、1050℃、1100℃、1300℃。适量掺杂可大幅提升HfO2的电学性质，双离子束技术制备的HfSiON薄膜介电常数高（K～18.7）、漏电流密度低（5.9×10-7A/cm-2）。当Ta 掺杂含量到达43%时，HfTaO薄膜的K值（21.0±0.2），掺杂N元素后，HfTaON薄膜的K值达24.1。经过氨等离子体对界面钝化处理后，ALD制备的HfO2/SiGe超薄薄膜总等效介电常数达15.0；等效厚度EOT=0.78 nm；价带和导带偏移量分别为：2.91±0.05和1.90±0.05；C-V滞回量小至239 mV；Vg=-2.0 V时，漏电流密度(J)～6.53×10-7 A/cm2。掺入Gd和Ce后的样品，由于四价Ce比三价Gd更能有效抑制氧空位产生，Ce掺杂的样品漏电流密度更低，且均比HfO2薄膜低两个量级。