新型高k栅介质SrHfON薄膜的制备与物理特性研究

本项目针对目前高k栅介质材料研究中所面临的基础科学问题，提出并开发一种新型高k栅介质SrHfON薄膜，旨在不降低SrHfO3薄膜介电常数的同时能够有效地改善SrHfO3薄膜的热稳定性，探索影响SrHfON栅介质薄膜物理特性的相关物理机理。本项目利用射频磁控溅射方法制备SrHfON薄膜，通过调节射频磁控溅射的主要工艺参数以及恰当的后处理技术，来适当改变SrHfON薄膜的成分和成膜质量，通过系统地研究SrHfON薄膜的成分与结构和性能的相互关系，探索制备和优化SrHfON薄膜的途径，阐明SrHfON薄膜和栅极以及硅衬底之间的界面作用规律，揭示载流子迁移率的变化规律及其影响机理，发展和深化与高k栅介质薄膜物理特性相关的基础理论问题，为高k栅介质材料的实际应用奠定重要的材料科学基础。

本项目采用第一性原理对新型栅介质材料SrHfON的电子结构和电学性质进行了理论预测，揭示了N掺杂位置、掺杂浓度对SrHfON能带结构、物理性质的影响规律。N取代Hf、Sr、O位后形成SrHfON化合物的形成能和结合能皆为负值，其中N取代O时具有最小的形成能和结合能，表明此取代最稳定也最容易发生。随N掺杂浓度增加，界面过渡区厚度增加，价带偏移和导带偏移减小。N掺杂浓度为20%时，价带偏移和导带偏移分别降为1.5 eV和1.1 eV。继续增加N掺杂浓度，导致导带偏移低于1eV，将引发栅极遂穿漏电流。为了避免栅极遂穿漏电流，N掺杂浓度不宜超过20%。在理论计算基础上，采用射频磁控溅射方法成功地制备出新颖的SrHfON栅介质薄膜。研究了溅射功率、氮流量、预处理、后退热处理等对SrHfON/Si界面微结构及电学特性的影响规律。随溅射功率增加，Si和SrHfON栅介质薄膜间互扩散作用增强导致界面及近界面缺陷增多，界面层厚度和界面态密度增加，栅极漏电流增大。氮流量较小时，SrHfON/Si界面处形成Hf-N键、Sr-N键，有效地阻止O、Si 元素的互扩散，使界面态密度减小，栅极漏电流降低。氮流量较大时，SrHfON/Si界面处会形成N原子聚集，使界面缺陷增多，界面态密度增大，栅极漏电流增大。采用NO气体对Si 衬底进行预处理，SrHfON/Si界面态密度和有效氧化物电荷密度减小，栅极漏电流降低。采用N2气氛退火，发现退火时间延长有利于界面附近应力释放，使界面态和氧化物陷阱减少，栅极漏电流降低。随退火温度增加，Si/SrHfON界面层厚度减小，界面态密度降低，SrHfON薄膜介电常数增大，栅极漏电流减小，器件表现出更加优良的界面和电学特性。采用数值模拟分析方法对SrHfON高k栅介质Si MOS器件的电学性质进行了模拟计算。基于WKB近似，在分析高k栅介质/Si 衬底能带结构基础上，通过将多子带等效为单子带，建立了综合考虑直接隧穿和F-N隧穿耦合作用下栅极漏电流在强反型时的解析模型。通过本项目的研究，成功地探索了制备和优化SrHfON薄膜的途径，阐明了SrHfON薄膜和硅衬底之间的界面作用规律，揭示了SrHfON薄膜及其MOS器件的电学特性变化规律及其影响机理。在国内外重要期刊上发表论文27篇，其中SCI收录27篇，EI收录26篇。授权国家发明专利3项，公开国家发明专利1项。