Hf基柵GaAsMOS電容界面特性研究.pdf

1、根據(jù)摩爾定律，集成電路的集成度得以不斷提高是因為特征尺寸的不斷縮小，但是Si基器件逐漸達到了極限，并且出現(xiàn)一系列可靠性問題急需解決。為了延續(xù)摩爾定律，擁有高電子遷移率的GaAs襯底材料被用來取代傳統(tǒng)的Si襯底材料，并且高K介質(zhì)也備受人們關(guān)注。但是，高K介質(zhì)與GaAs襯底之間晶格的不匹配等因素導(dǎo)致的界面態(tài)密度過大這一問題，會嚴重影響到溝道載流子的遷移率，這對于GaAs MOSFET的實際應(yīng)用是一個巨大的挑戰(zhàn)。
　　相比于傳統(tǒng)的薄膜淀

2、積方式(如MOCVD、MBE等)，原子層淀積(ALD)方式淀積的介質(zhì)薄膜具有致密性好、表面粗糙度低、厚度可精確控制等特點。隨后在結(jié)合ALD的基本原理和特點以及背面歐姆接觸的制備方法的基礎(chǔ)上，詳細介紹了HfAlO(4:1)、HfO2/Al2O3和HfO2作為柵介質(zhì)的GaAs MOS電容的制備流程。
　　本文使用高頻C-V法從1MHz的C-V曲線中提取了HfAlO(4:1)、HfO2/Al2O3和HfO2三組樣品的界面態(tài)密度，XPS測

3、試的結(jié)果表明HfO2/Al2O3的界面態(tài)密度最小，約為8.12×1012eV-1cm-2，同時HfAlO(4:1)的界面態(tài)密度比HfO2小。從XPS測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)三組樣品在經(jīng)歷了500℃的PDA后，高K柵介質(zhì)與GaAs界面處的As2O3和As2O5含量都很低。這是因為Al2O3的前驅(qū)體可以減少As2O3的含量，并且吉布斯自由能較高的 As2O3會在高溫退火的過程中會轉(zhuǎn)換為吉布斯自由能較低的Ga2O3，從而使得Ga2O3成為了界面態(tài)的主要

4、成分。同時氧氣與水汽在Al2O3中的擴散系數(shù)比HfO2小，從而Al2O3能更有效地抑制界面處氧化物的再生長。因此HfO2/Al2O3的界面態(tài)密度比HfAlO(4:1)小，而HfO2則因為不具備Al2O3的界面鈍化作用而使得其界面態(tài)密度過大。
　　為了比較柵介質(zhì)本身的質(zhì)量，本文對三組樣品進行了 I-V測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)HfAlO(4:1)的柵極漏電流小于HfO2/Al2O3，其原因是HfO2/Al2O3的HfO2與Al2O3間存在大量的

5、界面陷阱電荷，這些界面陷阱電荷會導(dǎo)致 HfO2/Al2O3的柵極漏電流的增大。而HfO2則因為過大的界面態(tài)密度而使得其柵極漏電流最大。
　　HfAlO(4:1)不但具有比 HfO2更小的界面態(tài)密度，同時與 HfO2/Al2O3和HfO2相比，其等效氧化層厚度、頻散和柵極漏電流都較小。因此HfAlO(4:1)綜合了Al2O3和HfO2的特點，在獲得較低的界面態(tài)的同時，還能保證介質(zhì)本身的質(zhì)量，從而十分適合作為GaAs MOSFET的柵