新型半导体沟道材料与高介电栅介质薄膜的界面调控与电学性能研究

集成电路的飞速发展使传统的二氧化硅栅介质材料趋近了它的使用极限，将高介电常数材料引入集成电路的同时，采用高迁移率的新型半导体沟道材料替代传统的Si材料成为制备高性能新型CMOS器件的一个研究热点。然而，由于高迁移率的半导体材料(如：GaAs和Ge)，大多缺乏稳定的天然表面氧化物，表面钝化成为发展高迁移率沟道材料场效应管的重要方法。本项目拟由栅介质薄膜氧化铪和氧化镧入手，利用先进的原子层沉积技术，在商业化的GaAs和Ge衬底上，通过表面钝化和自清洁的方法，设计不同纳米层状和堆栈结构的高介电栅介质薄膜，深入研究高迁移率沟道材料与高介电栅介质薄膜之间的界面性质和电学性能，结合界面热力学和动力学的理论计算，从微结构角度，揭示钝化层对栅介质性能的影响规律，阐明表面钝化和自清洁方法改进界面质量和电学性能的物理机制，为探索新型高迁移率沟道材料的界面调控技术提供理论依据。

集成电路的飞速发展使传统的二氧化硅栅介质材料趋近了它的使用极限，将高介电常数材料引入集成电路的同时，采用高迁移率的新型半导体沟道材料替代传统的Si材料成为制备高性能新型CMOS器件的一个研究热点。本项目系统研究了ALD在新型半导体衬底上(GaAs, Ge)制备铪基（锆基）和稀土基氧化物高k薄膜的工艺、界面和性能，完成主要实验参数对薄膜生长工艺以及质量影响的提炼，重点对新型半导体衬底的表面钝化工艺、界面结构、电学性能和新型半导体与栅介质间能带匹配调控进行了深入研究和表征。在GaAs和Ge衬底上，进行了化学溶液法、自清洁法、引入界面控制层等钝化方法的研究与比较，发现采用氢溴酸和硫化铵溶液结合清洗钝化的方法，可以简单有效地钝化Ge表面，而在Ge上引入Al2O3 和La2O3界面控制层，获得较好综合电学性能。在GaAs衬底上，重点研究了不同溶液钝化剂在GaAs 衬底表面的钝化效果及其三甲基铝TMA的自清洁技术，还研究了引入稀土控制层Gd2O3钝化GaAs、引入La2O3钝化Ge表面的方法，取得了较佳的钝化效果。从微结构角度，揭示钝化层对栅介质性能的影响规律，阐明表面钝化和自清洁方法改进界面质量和电学性能的物理机制。发现了几种具有良好界面的高k材料体系 HfO2/Al2O3/GaAs, ZrO2/Gd2O3/GaAs, HfAlO/GeO2/Ge, HfO2/Al2O3/Ge。在GaAs基上，通过对ALD沉积HfO2中Al含量的调节可方便地对能带补偿进行调谐；在Ge衬底上，发展了对ALD沉积TiO2中Al含量的调节对能带补偿进行调谐的方法。发展了几种新型半导体和高k栅介质膜界面能带匹配的调控方法。探索了新型无水硝酸铪源在Ge衬底上原子层沉积超薄高k薄膜MOS的性能，展示了作为ALD源的良好应用前景。获得了带隙大于5 ev, 导带、价带补偿大于1 ev，等效氧化物厚度EOT小于1 nm和漏电流密度小于50 mA/cm2的Ge基MOS结构。本项目已经发表SCI论文18篇，出版国外学术专著章节一部，申请中国发明专利1项，获得中国发明专利1项。