比较研究，和BeO超薄界面阻挡层在硅金属-氧化物-半导体器件

摘要

在之前的研究中，我们已经证明了通过原子层沉积(ALD)在Si和III-V MOS器件上生长的氧化铍(BeO)薄膜具有优良的电学和物理特性。在本文中，我们比较了插入超薄界面阻挡层(如SiO)的电学特性₂艾尔₂O_3.，或HfO之间的BeO₂金属氧化物半导体电容器(MOSCAPs)和n沟道反转型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)中的栅介质和Si衬底。具有BeO/HfO的硅moscap和mosfet₂栅极堆栈表现出高性能和可靠的特性，包括驱动电流提高34%，亚阈值摆幅稍好地降低，在1 MV/cm电场下有效电子迁移率增加42%，等效氧化物厚度略低，应力诱导的平带电压漂移更小，应力引起的泄漏电流更小，界面电荷更少。

1.介绍

CMOS缩放技术带来了SiO₂厚度在1.5 nm以下。对于这些非常薄的氧化物，漏电流变得不可接受的大。降低漏电流的一种方法是用硅溶胶代替₂一种介电常数更高的材料。高k电介质的主要优点是由于其高物理厚度而实现低大风泄漏。这也使得它在低功耗应用中具有吸引力。由于这些要求，在过去的10年里，氧化铪(HfO₂)作为一种高介电常数的材料，已引起了广泛的兴趣，可用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。它有几个吸引人的特性，如高介电常数，与硅良好的热力学稳定性，和良好的电性能[1]不幸的是，其他一些物理性质，如迁移率降低、电荷俘获和阈值电压()不稳定性是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)性能的主要缺点[2］.尤其是高频振荡器₂报道了低载流子迁移率的高k介质堆叠mosfet [3.］.低迁移率的主要原因尚不清楚，但已被认为是由高k电介质中的电荷引起的远距库仑散射[4或光学声子散射[5]许多研究人员认为，与SiO相比，所有高k电介质都不可避免地具有低能带隙和高散射₂．因此，如果能找到具有高能带隙和低散射的高k介质，就能真正解决上述问题。

氧化铍(BeO)是一种很有前途的高k栅介电材料，具有优越的界面稳定性[6- - - - - -10]并且已经被认为是一个优秀的气体扩散屏障。这使得它成为HfO之间潜在的合适的扩散屏障₂BeO还具有类似金属的热导率和较大的能带隙（10.6 这些性质表明低光学声子和远库仑散射。通常，声子流负责介电材料中的热传导。随着温度升高，声子密度增加，但超过20 K、 声子-声子相互作用占主导地位，降低了声子漂移的平均自由程，降低了电介质中的热导率[11］.然而，BeO由于声子散射低而具有较高的热导率，这是因为BeO中的电子紧密结合，使得BeO中的声子相互耦合，具有低能量和长波长(或低声子频率)。BeO在Si上的高能带隙和带偏移使得本征电荷捕获困难，导致BeO介质中捕获电荷低(高k介质中的捕获电荷是库仑散射的来源)[10］.我们之前的研究表明，二甲基铍和水沉积的BeO通过防止PDA期间高k和III-V衬底之间的亚氧化，改善了III-V MOS器件的界面质量[6］.本文通过插入超薄sio2来比较界面阻挡层的作用₂艾尔₂O_3.，或HfO之间的BeO阻挡层（IL）₂在金属氧化物半导体电容器(moscap)和nmosfet中的栅介质和硅衬底。使用这种阻挡层的目的是提高器件的性能和可靠性，同时尽可能地保持最终薄膜的整体介电常数。

2.制造流程

使用二甲基铍前体和水作为氧源，在HF-last p型硅衬底上沉积ALD BeO IL。作为参考，ALD Al₂O_3.IL用三甲基铝和相同的氧源沉积在同一清洁基底上。带有BeO IL的样本，Al₂O_3.白细胞介素(IL)，无白细胞介素者用ALD HfO治疗₂．他们被退火3分钟在600℃在N₂在大气压下，BeO和Al的物理厚度₂O_3.利用多波长(200~900 nm)椭偏仪测量氧化体上的沉积速率来控制IL层。采用反应性直流磁控溅射技术(2000 Å)沉积钽电极，然后用Ar + CF进行反应性离子刻蚀(RIE)₄栅极后的电极图案。在nmosfet的源/漏(S/D)区域注入50 keV的磷和剂量厘米⁻²．高温(900°C, 1分钟)在N₂使用环境进行S/D活化。电子束蒸发Ni/AuGe/Au分别用于S/D和背面金属化。最后的烧结是在400°C的形成气体中进行30分钟。对所有MOSCAPs样品，进行PMA(500°C, 2 min)。

3.结果与讨论

数字1显示不同IL(或IPL)的MOS截面结构。它是建立在先前实验的电和物理结果的基础上的[10］.SiO₂艾尔₂O_3.，或BeO IL置于HfO之间₂以及P-Si衬底。艾尔₂O_3.和BeO IL是故意插入的，但是SiO₂IL在沉积后和S/D活化退火过程中进行热生长。在图2同(IL) /高频振荡器₂结构显示出最低的泄漏，可与SiO相媲美₂(IL) /高频振荡器₂和艾尔₂O_3.(IL) /高频振荡器₂门栈。BeO IL (5~ 10Å)的插入并没有显著增加沉积后退火(PDA)后的EOT，因为在PDA期间有效地抑制了氧扩散。在图中，随着退火温度的升高，氧扩散阻挡层对BeO IL的有效性更加明显3.．在S/D活化后，BeO IL对EOT的结垢和可靠性的提高有一定的优势，约为15Å SiO₂生长在HfO和HfO之间的界面上₂BeO-IL的低EOT表明了有效的氧扩散屏障。X射线光电子能谱（XPS）也给出了类似的结果[10].通过薄膜的氧气扩散与相应薄膜中针孔的数量和大小成正比[12].一般来说，较小的针孔会导致扩散分子（如氧）之间发生更多碰撞由于仍在研究中的原因，分子尺寸较小的BeO薄膜似乎表现出相对较低的氧扩散率，并且能够有效地阻止杂质（如Hf）的扩散，从而最大限度地减少基体中的缺陷吃了。

一般来说，高k材料的带隙与其介电常数成反比，但BeO是一个例外，具有非常大的能带隙（10.6 eV）结合6.8的仍然较高的介电常数。随着带隙或相应的带偏移的增加，电介质中的电荷俘获减少。SiO₂/重油₂艾尔₂O_3.(IL) /高频振荡器₂,成为(IL) /高频振荡器₂使用图中的Fowler-Nordheim图比较门堆栈4由于双层栅极结构，有效势垒高度的确切数目未被提取。但观察到BeO-IL堆的更高势垒，与其他不同的栅极堆相比，它可能导致更小的电子隧穿电流。图5和6是可靠性统计特性的代表性结果。在图5同(IL) /高频振荡器₂门堆栈显示较少的初始值轮班（1小时后） （秒应力）表明电介质中先前存在的陷阱较少。与其他两个栅堆相比，还观察到了略小的陷阱生成率。如图所示6同(IPL) /高频振荡器₂也显示应力诱导泄漏电流(SILC)的降低和没有明显的击穿。但SiO₂/重油₂和艾尔₂O_3.(IL) /高频振荡器₂随着压力时间的增加而逐渐崩溃。较低的陷阱产生率和降低的隧道电流的BeO(IPL)/HfO₂从材料热力学的角度来看，材料的总熵包括与导热系数有关的热熵和与结晶有关的构型熵材料的（或结晶度）[13］.BeO具有较高的结晶度和热导率，因此总熵可能较高，这意味着与其他栅极介质相比，BeO在结构上更稳定，尽管热力学稳定性与器件性能之间的直接关系仍存在疑问。有关BeO热稳定性的详细资料，请参阅参考资料[14］

数字7NMOSFET是SiO的反转电容吗₂/重油₂(40)₂O_3.(5) /高频振荡器₂(40 Å）和BeO（5） Å/HfO₂(40 Å)门栈。同/高频振荡器₂栅层的等效氧化层厚度(EOT)略低于SiO (2.51 nm)₂/重油₂(2.77 纳米）和铝₂O_3./重油₂(2.93 nm)，尽管在S/D活化退火后，所有栅极堆的EOTs显著增加(图)3.）.从XPS分析，EOT的增加主要是由于HfO中的氧₂电介质，代替退火工具中的氧残留物[10］.对于SiO₂/重油₂艾尔₂O_3./重油₂，以及BeO/HfO₂根据图，原生氧化物的栅极堆积分别为1.7 nm、1.5 nm和1.0 nm3.结果。数字8显示NMOSFET漏极电流栅极电压()的特性₂/重油₂艾尔₂O_3./重油₂，以及BeO/HfO₂门栈。EOT略低，即BeO/HfO₂堆栈表现出更积极的一面(0.66 五） ，更高的驱动电流 五、 更好的阈下摆动（69 mV/dec），与SiO的相比₂/重油₂堆叠(V, mV/dec）和Al₂O_3./重油₂堆叠(V,mV / 12月)。从理想MOS结构得到的阈值电压方程[15)是 在哪里，，,为金属与半导体的功函数差(“-”值)、界面电荷差(“+”值)、耗尽电荷差(“-”值)以及n沟道的本征能级与费米能级(“+”)之间的能量差。．如果我们假设，,是否对所有栅极堆栈都一样，因为唯一的区别是界面层，那么正向偏移同/高频振荡器₂堆积是由于BeO和Si衬底之间的正界面电荷较少。BeO层中固定电荷的减少可能导致界面电荷的减少[10］.

在图9,同天/高频振荡器₂堆栈显示约34%的高驱动器电流(31.67 mA)在 五&V多于SiO₂/重油₂叠加(23.56 mA)和Al₂O_3./重油₂堆栈(21.28 mA)。仅在高k和Si通道之间插入5个Å BeO就大大提高了驱动电流。随着IL厚度的增加，驱动电流都有一定程度的减小₂O_3./重油₂和同天/高频振荡器₂门堆栈，但它对Al更重要₂O_3./重油₂堆栈。这可能是由于较少的天然界面氧化物(SiO)₂) Al的生长₂O_3./重油₂、堆栈。数字10举例说明了利用分体电容-电压(C-V)方法的有效沟道电子迁移率。同/高频振荡器₂Stack的有效场值提高了42% ()流动性(238厘米²比SiO / Vs)₂/重油₂(167厘米²/ Vs)和艾尔₂O_3./重油₂(166厘米²/ Vs)MV /厘米。这可能需要进一步的研究来证实和解释这些结果。SiO中的电子迁移率₂/重油₂和艾尔₂O_3./重油₂都是快饱和的普遍趋势，可能是由于厚SiO₂界面层在S/D活化过程中生长。如果SiO₂界面层越薄，HfO的峰值电子迁移率越高₂门堆栈将显著减少[16］.在原子构型上，非晶铝之间的物理粗糙度差异₂O_3.与晶态BeO相似，但在电子构型上，它们之间的电势粗糙度有很大的不同。在静电势粗糙度方面，晶体表面原子的二维有序排列一般会产生原子尺度的表面高度波动，其静电势粗糙度较低[17］.在以前的研究中，我们证明了ALD BeO在Si上几乎是外延生长的[7，从而改善表面电势粗糙度和高场电子迁移率。

在本工作中，一个BeO (IL)/HfO₂对栅堆进行了研究，并将其与SiO 2进行了系统比较₂/重油₂门堆栈。在硅通道和高k栅极介质之间插入ALD BeO IL可提高高场载流子迁移率，并在保持类似EOT的同时改善MOSFET参数和可靠性特性。优异的BeO性能，如高能量带隙、高效的氧扩散阻挡层和高结晶度，改善了电荷捕获、S/D激活过程中EOT增加的抑制和MOSFET性能，从而为含有BeO IL的MOS器件提供了显著的优势。

致谢

这项工作部分支持Robert Welch Foundation（赠款F1038和F 1621）和NSF（格兰特DMR-0706227）。

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