随着CMOS集成电路按照摩尔定律的快速发展,器件的特征尺寸已进入了纳米量级,传统的SiO2栅介质厚度减小会导致很高的隧穿电流,已不能用于纳米CMOS器件的制备,需要采用具有较高介电常数的(高k)栅介质薄膜替代SiO2。目前,高k栅介质材料(HfSiON)已经用于45 nm和32 nm技术节点集成电路,然而仍不满足下一代集成电路的要求,需要寻找新的高k栅介质材料,作为具有较大应用前景的高k材料HfO2,由于其结晶温度较低,抑制氧扩散的能力较差,需要对其进行改良,Gd2O3具有良好的热稳定性以及较大的带隙宽度,且能有效地抑制氧的扩散,本文采用Gd2O3掺杂HfO2的方法对其进行改良。1.采用磁控溅射方法,在不同的掺杂功率下制备了多种Gd203掺杂HfO2(GDH)高k栅介质薄膜,研究了掺杂功率与GDH薄膜电学性能的关系,掺杂功率为20 W时,电学性能最优,主要原因是Gd的电负性比Hf的大,对O离子的吸附能力强,能有效地抑制氧的扩散,减少了氧空位的缺陷密度,从而降低了漏电流密度,并且使C-V曲线向左漂移现象减弱。研究了N2中快速热处理工艺(RTP)对GDH-20(掺杂功率为20W)栅介质薄膜电学性能的影响,GDH-20最佳的快速热处理温度为700℃,C-V曲线的回滞窗口宽度会随着RTP温度的升高逐渐减小,并且积累区到耗尽区的过渡变得平缓。高的RTP温度使GDH-20/Si的界面得到更进一步钝化,减少了界面态密度,降低了界面处的负电荷积累,此外,N在高温下更易与GDH-20中的氧空位结合,降低了氧空位密度,使得C-V曲线发生正向偏移。2.分析了GDH-20薄膜的成分及结构,Gd203在GDH-20薄膜中的掺杂量为10mol%,并且在GDH-20/Si界面处产生了硅酸盐,HRTEM分析表明GDH-20薄膜结构为非晶,并且与纯HfO2相比,界面层厚度明显减小,说明通过Gd203的掺杂能有效降低氧在GDH-20栅介质中的扩散。3.研究了GDH-20薄膜的击穿特性,GDH-20的TDDB的软击穿是由于栅介质中的电荷积累造成的,栅压越大,击穿电量反而越小,软击穿后GDH-20栅介质的介电性能仍然良好。与施加在GDH-20上脉冲方波电压的测试结果相比,同等大小的栅压下,脉冲电压发生击穿的时间与电荷量均比直流栅压的大,这是由于氧化层的损伤自修复和脉冲应力分散造成的。GDH-20经受硬击穿后,栅介质漏电流显著上升,电容急剧下降,栅介质的介电特性变差,这主要是由正电荷的积累造成的。此外,研究了工作温度对GDH-20薄膜击穿性能的影响,GDH-20薄膜在100℃以下均能保持良好的介电性能,说明其具有较强的抗热击穿能力。综上可见,在Si(001)衬底上生长的非晶GDH栅介质可以作为高k栅介质应用的候选材料。
