HfTiON/TaON叠层高k栅介质薄膜的制备及其在锗场效应晶体管中的应用探索

传统硅器件理论与技术的双重极限推动着新型高k栅极材料与工艺的突破与创新。在硅基场效应晶体管中，高k栅介质的引入会导致沟道载流子迁移率下降，从而降低器件性能。针对此关键问题，以Ge作为沟道材料，以Hf基高k薄膜作为栅极材料有望构筑具有高载流子迁移率的新型场效应晶体管。本项目拟采取磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积相结合技术在Ge基体上生长HfTiON/TaON高k栅介质薄膜，并构筑Ge-MOSFET结构。研究Ti、N掺杂的HfTiON/TaON/Ge薄膜的界面特性、光学性质、能带偏移与电学性能，获取最优掺杂范围，进而揭示掺杂对载流子迁移率的影响规律,找出载流子迁移率高、界面性能稳定、缺陷少及能带偏移合适的Ge基上栅极材料最佳制备工艺路线。上述工作的开展将为Ge与HfTiON/TaON栅介质相互作用机理的澄清，为下一代Ge场效应晶体管栅极材料的设计提供实验基础和科学依据。

以获取界面性能稳定，能带偏移合适，高载流子迁移率高k栅介质MOS结构为目标牵引，研究了不同制备技术，不同衬底上获取的高k栅介质的相关物性。采用磁控溅射技术制备了Si衬底上HfO2及N掺杂HfO2薄膜，对薄膜界面、光学和能带偏移特性的研究表明N掺杂有效抑制了界面层的生长，后续退火处理能改善薄膜质量。采用MOCVD方法在Si片上沉积了Al2O3薄膜，研究表明通过NH3气氛退火能优化薄膜电学性能，进一步通过在沉积前氮化Si片引入SiON界面层，能够有效改善薄膜界面特性和电学特性，降低界面态密度和漏电流。在此基础上改变衬底材料，采用ALD法在Ge片上生长Al2O3/HfO2/Al2O3叠层结构，研究表明，退火温度对薄膜的能带偏移有很大影响，合适的退火温度下，薄膜的价带偏移才能大于1eV。进一步采用溅射法在GaAs衬底上制备了N掺杂HfTiO薄膜，分析表明N掺杂导致HfTiON/GaAs价带偏移降低和导带偏移增加，经过600度退火的HfTiON/GaAs MOS电容结构显示出低的界面态密度，低的漏电流和高的介电常数(25.8)。通过上述相关研究，揭示了高k栅介质和衬底材料间的界面生长机制，获取了缺陷少、漏电流低的高k栅介质薄膜，找出了界面性能稳定、缺陷少、能带偏移合适及优异电学性能的高载流子迁移率衬底上高k栅介质最佳制备工艺路线，为下一代高载流子迁移率衬底上场效应晶体管栅介质材料的设计提供实验基础和科学依据。本项目研究达到了预期目标，通过本项目的实施，三年来在国内外有影响的期刊上发表SCI论文9篇，参与撰写英文专著章节1章。