动机研究低带隙ina和InSb渠道下一代金属氧化物半导体(MOS)晶体管是强大的上级载流子迁移率( 1),建立了外延技术( 2, 3)等新兴技术,如碳纳米管和石墨。然而,实现高性能艾娜的进展和InSb MOS晶体管被严格的限制阻碍热预算以及缺乏强劲的栅极电介质和合适的表面处理为解开恼人的费米能级钉( 4)在氧化/半导体界面。高——最近鼓励实验演示 K 门电介质(Gd₂O₃,艾尔。₂O₃,高频振荡器₂砷化镓(上) 5- - - - - - 7),输入( 8],在[ 9- - - - - - 11]渠道使用原子层沉积(ALD)技术揭示了这个古老的主题,吸引了极大的关注。尽管各种化学和等离子体表面处理 12- - - - - - 14)已经提出了湮灭III-V复合半导体的表面状态,它仍然难以捉摸如何产生一个清洁和well-passivated通道表面为后续高质量的闸极介电层的增长。最实用的表面准备和有前途的方法似乎是III-V通道 原位门电介质在渠道的增长。

在本文中,作者报道的界面和电气性能Ti / Pt /高频振荡器₂/在 pMOS电容器,高- K 闸极介电层、高频振荡器₂生长在一个 n -InAs外延层在不破坏真空通过分子束外延系统的集成(MBE Riber-32)与一个原子层沉积系统(Picoson r - 100 ALD)。为了防止在热蒸发,所有设备制造流程都低于300°C。Ti和Pt金属门材料进行评估。界面层的效果因one-monolayer InP或丰富在高频振荡器之间₂在通道,高频振荡器的沉积条件₂,post-metal-anneal (PMA)过程是系统研究为提高高频振荡器的界面和电气性能₂/在 pMOS电容器。

高频振荡器的制造₂/ ina MOS电容器始于2′′(100) n -InAs衬底掺杂硅[(2 - 5)×10¹⁷厘米⁻³),紧随其后的是一个200纳米厚的外延生长 n -InAs通道层均匀掺杂硅浓度的2×10¹⁷厘米⁻³和一个one-monolayer InP或丰富艾娜IL的艾娜通道。生长室MBE转移后的样本退化系统通过高真空室与基地6×10的压力⁻⁸托,一个6 nm厚高频振荡器₂层沉积在200 - 300°C使用水蒸气和tetrakis (ethylmethylamino)铪[TEMAH,高频[N (C₂H₅)(CH₃)]₄前兆。300 nm厚钛或50 nm厚Pt是蒸发材料随后登机口定义使用光刻和高频/ H₂O₂化学腐蚀或通过一个影子面具。最后,MOS电容器的制造完成蒸发100 nm厚的阿尔卡在衬底的后门电极和300°C PMA 30分钟。的界面和结构属性Ti / Pt /高频振荡器₂/在系统研究了利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和能量色散x射线能谱(EDX)。电流电压( 我 - - - - - - V )和capacitance-voltage ( C - - - - - - V )高频振荡器的特性₂/在MOS电容器特点使用吉时利- 4200和HP4284半导体分析仪。

图 1显示了横断面TEM (CTEM)门口堆Ti /高频振荡器的图像₂/输入/ ina结构。的 原位高频振荡器的增长₂在输入/ ina通道产生一个native-oxide自由和突然的高频振荡器₂/输入/ ina界面,显示晃来晃去的债券或表面输入/ ina镇压和提供一个良好的界面电荷倒置在门调制。此外,似乎有一个10 - 12厚之间的界面层6 nm厚高频振荡器₂层和Ti-gate和EDX分析显示,界面层的化学成分 TiO x ( x~ 1.2)和衬底氧化铪成为Hf-rich氧化物(图 2),这表明钛催化地释放氧气的化学计量高频振荡器₂氧化,形成Hf-rich, Ti的后续反应生成和释放氧气 TiO x 。的不受欢迎的界面TiO_x氧化和氧化Hf-rich层不仅恶化了完整性也加厚门电介质厚度,通过高门内泄漏,一个可怜的门表面调制的潜力在通道但略高击穿电压如下 我 - - - - - - V 和 C - - - - - - V 特征(图 3)。

我们通过TEM观察一个有趣的发现是,薄Pt屏障前金属钛沉积有效地抑制一个界面氧化层的形成和保留高频振荡器的化学计量学和高质量₂。Pt-gated MIS电容器的介质厚度是6 nm厚的高频振荡器₂,而Ti-gated MIS电容器的栅氧化层16 nm(10 - 12海里 TiO x 和6 nm Hf-rich氧化)。虽然薄Pt-gated MIS的闸极介电层电容器比Ti-gated设备维持一个较小的击穿电压,减少门泄漏是超过4订单大小与Ti-gated MIS电容器。因此,出现显著增加Pt-gated MIS的积累电容二极管和一个增强的门调制 C - - - - - - V 特征图 3 (b)。

栅氧化层完整性似乎是强烈依赖于高频振荡器₂沉积温度和热处理后金属图案。增加沉积温度从200年到250°C不仅提高了电容,因为积累的增加高频振荡器的介电常数₂从11到15,还提高了反演电容由于更好的高频振荡器₂/输入/ ina接口。这是陡峭的证明了这一点 C - - - - - - V 过渡损耗机制和不同的电容下降当门电压调节的表面势在通道从损耗反转机制(图 4)。然而,更高的高频振荡器₂沉积温度为300°C会降低门泄漏和破裂 E 相应的字段,可能来自高频振荡器的结晶度₂从非晶态过渡到多晶阶段从200年到300°C(图 1 (b))。一个额外的300°C PMA H₂/ N₂环境为30分钟似乎进一步减少dangling-bonds高频振荡器和歼表面状态₂/输入/ ina接口,还提高了频率相关的积累电容的介电常数色散(图 5)。上述实验结果也表明,在外延层是高质量的,不降低经过长时间的持续时间(45分钟)300°C ALD和PMA过程。

的界面性质和电特性在MOS电容器可以进一步提高了装有格子的火柴来取代unrelaxed InP IL一样富有艾娜,尽管艾娜的能带隙(0.345 eV)小于输入(1.344 eV)。这是可以通过减少门漏一个顺序大小如图 6(一)。这也证实了一个陡峭的斜坡的耗尽区 C - - - - - - V 特征图 6 (b)。抑制表面状态一样富有IL和狭窄的带隙在高温下生成率( 15)使 C - - - - - - V 曲线测量1 MHz偏离传统的高频 C - - - - - - V 特征,尤其是在反演政权(图 7)。例如,反演的参数在300和250 K是电压依赖、接近栅氧化层电容的值,而不是有效的栅氧化层电容串联电容损耗电容。减少测量温度从300年到180 K降低了thermal-generated载体人口,使反演电容值恢复的一个典型的高频 C - - - - - - V 特征。提取的界面陷阱密度( D 它 )使用电导方法从Pt /高频振荡器₂/ ina MOS电容与输入和丰富界面层是1.59×10¹³和7×10¹²厘米⁻²电动汽车⁻¹分别与报告数据具有可比性( 9- - - - - - 11]。

的 原位高频振荡器的增长₂在频道突然和脱氧接口,这是一个重要的高性能在金属氧化物半导体设备的先决条件。高频振荡器的界面和电气性能₂/在MOS电容器深受门金属、高频振荡器₂沉积温度、post-metal退火,高频振荡器之间的界面控制层₂和在渠道。Pt障碍有效抑制金属界面的形成 TiO x 氧化,从而极大地提高了泄漏和绝缘质量的登机口的堆栈。栅氧化层的完整性和高频振荡器的栅极介电常数₂可以进一步提高肾上腺白质退化症患者沉积250°C和300°C PMA治疗。一个丰富艾娜IL进一步抑制表面状态,减少门泄漏,和损耗/反演的参数。