Ti/Pt/HfO电学和界面性能的栅堆工程及热处理₂/在pMOS电容器

摘要

栅堆工程和热处理对Ti/Pt/HfO电学和界面性能的影响₂/InAs金属绝缘体半导体(MIS)电容器通过透射电子显微镜、能量色散x射线光谱、电流电压和电容电压表征进行了系统评价。10nm厚的铂金属有效地抑制了界面氧化物TiO的形成₂，在Ti栅和HfO之间₂栅极电介质层，增强了栅极调制对InAs表面电位的影响。一个原位高频振荡器₂沉积在n-InAs通道与单单层InP的界面层(IL)，然后经过300°C金属后退火产生高质量的HfO₂/InAs界面，从而解开恼人的费米能级钉扎，这是由高/低频率的明显电容下降证明的C-V特征。通过用富as InAs替代InP IL，可以进一步抑制界面陷阱状态，这可以通过栅极泄漏减少和电压依赖性损耗电容来证实。

1.介绍

研究下一代金属氧化物半导体(MOS)晶体管低带隙InAs和InSb通道的动力很强，因为它们具有优越的载流子迁移率[1]和已建立的外延技术[2，3.以及其他新兴技术，如碳纳米管和石墨。然而，实现高性能InAs和InSb MOS晶体管的进展一直受到热预算的严格限制，以及缺乏可靠的栅极介质和合适的表面处理来解开烦人的费米能级钉住[4在氧化物/半导体界面处。最近鼓励实验示范高-门电介质(Gd₂O_3.,艾尔。₂O_3.,高频振荡器₂)在砷化镓上[5- - - - - -7),输入(8]，以及InAs [9- - - - - -11]通道的原子层沉积(ALD)技术已经阐明并引起了人们对这一古老课题的极大关注。尽管有各种化学和等离子体表面处理[12- - - - - -14]已经被提出用于湮没III-V化合物半导体的表面态，但如何产生一个清洁和良好钝化的沟道表面，用于后续高质量栅极介质生长仍然是一个难题。对于III-V通道的表面制备，最实用和最有前途的方法似乎是原位沟道上栅介质的生长。

本文报道了Ti/Pt/HfO的界面和电学性能₂/在pMOS电容器，其中高-闸极介电层、高频振荡器₂生长在通过分子束外延系统(Riber-32 MBE)与原子层沉积系统(Picoson R-100 ALD)的集成，在不破坏真空的情况下实现了inas外延层。为了防止InAs的热蒸发，所有器件的制造过程都保持在300°C以下。对钛金属和铂金属进行了评价。HfO之间单单层InP或As-rich InAs产生的界面层效应₂和InAs通道，HfO的沉积条件₂系统研究了金属后退火(PMA)工艺对HfO界面性能和电学性能的改善作用₂/在pMOS电容器。

2.实验

HfO的制造₂/InAs MOS电容器从2”(100)开始-InAs衬底掺杂Si [(2-5) × 10¹⁷厘米⁻³]，然后进行厚度为200纳米的外延生长-InAs沟道层均匀掺杂浓度为2 × 10的Si¹⁷厘米⁻³以及在InAs通道顶部的单分子层InP或As-rich InAs IL。将样品从MBE生长室转移到ALD系统后，通过基压为6 × 10的高真空室⁻⁸Torr, 6纳米厚的HfO₂采用水蒸气和四(乙基甲基氨基)铪[TEMAH, Hf[N(C .)]在200-300°C下沉积₂H₅) (CH_3.）]₄前兆。采用光刻法和HF/H法，蒸发300 nm厚的Ti或50 nm厚的Pt作为栅极材料₂O₂化学蚀刻或通过荫罩。最后，将100 nm厚的Al作为背栅电极在衬底上蒸发，在300°C的PMA下加热30 min，制备出MOS电容器。Ti/Pt/HfO的界面和结构性能₂/InAs系统采用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和能量色散x射线光谱(EDX)进行检测。电流电压(-)及电容-电压(-) HfO的特性₂用Keithley-4200和HP4284半导体分析仪对/InAs MOS电容器进行了表征。

3.结果与讨论

数字1显示了Ti/HfO栅极叠加的横截面透射电镜(CTEM)图像₂/输入/ ina结构。的原位高频振荡器的增长₂在InP/InAs通道上产生天然氧化物自由和突变HfO₂/InP/InAs界面，表明InP/InAs的悬空键或表面态被抑制，为栅极调制下的电荷反转提供了良好的界面。此外，在6 nm厚的HfO之间存在10-12 nm厚的界面层₂层和Ti-gate, EDX分析表明界面层的化学成分为（x~ 1.2)，下面的氧化铪成为富hf的氧化物(图2)，表明Ti催化释放氧从化学计量HfO₂，形成富hf的氧化物，随后反应的Ti和释放的氧生成．不需要的界面TiO_x和富hf氧化物层不仅恶化了氧化物的完整性，而且还增厚了栅极介质的厚度，这可以从高栅极泄漏、较差的栅极调制的InAs通道的表面电势和略高的击穿电压中得到证明，如图所示-和-特征(图3.)．

我们通过TEM观察得到一个有趣的发现，Ti沉积前的薄Pt势垒金属有效地抑制了界面氧化层的形成，并保留了化学计量和高质量的HfO₂．pt门控MIS电容器的介电厚度为6nm厚HfO₂而ti门控MIS电容器的栅氧化层为16-18 nm (10-12 nm)和6纳米富hf氧化物)。虽然铂门控MIS电容器的较薄的栅极介质比钛门控MIS电容器的击穿电压更小，但与钛门控MIS电容器相比，栅极泄漏的降低幅度超过4个数量级。因此，pt门控MIS二极管的积累电容显著增加，并增强了门控调制-特征图3 (b)．

栅极氧化物的完整性似乎强烈地依赖于HfO₂沉积温度和金属图案后的热处理。当沉积温度从200°C提高到250°C时，由于HfO介电常数的增加，积累电容得到提高₂从11到15，但由于HfO更好，也提高了逆变电容₂/输入/ ina接口。这一点可以从陡峭的坡度中得到证明-栅极电压将InAs通道的表面电位从耗尽区调制到反转区时，会出现明显的电容下降(图)4)．但是，HfO较高₂沉积温度在300°C降低栅极泄漏和击穿，可能源于HfO的结晶度₂从200°C到300°C从非晶态转变为多晶态(图1 (b))．额外的300°C PMA在H₂/ N₂环境温度30分钟后，悬浮键进一步减少，HfO表面态湮灭₂/InP/InAs界面，同时由于介电常数色散，也改善了积累电容的频率依赖性(图3)5)．上述实验结果也表明，InAs外延层质量高，经过300°C ALD和PMA工艺的长时间(45分钟)不降解。

尽管InAs (0.345 eV)比InP (1.344 eV)的带隙小，但用晶格匹配富as的InAs IL替代未弛豫的InP IL可以进一步改善InAs MOS电容器的界面性能和电学特性。如图所示，栅极泄漏量减少了一个数量级，证明了这一点6(一)．这也被在枯竭区更陡的斜坡所证实-特征图6 (b)．富as IL抑制表面态和窄带隙InAs的高热生成率[15)使-在1 MHz下测量的曲线偏离常规高频-特别是在反转状态下的特征(图7)．例如，在300和250 K时的反转电容与电压有关，接近栅极氧化物电容的值，而不是与耗尽电容串联的栅极氧化物电容的有效电容。当测量温度从300 K降低到180 K时，热生载流子布居数降低，反转电容值恢复到典型高频电容值-特征。提取的界面陷阱密度()，采用Pt/HfO电导法₂/InAs MOS电容器的InP和as富界面层为1.59 × 10¹³7 × 10¹²厘米⁻²电动汽车⁻¹，分别与报告数据比较[9- - - - - -11]．

4.结论

的原位高频振荡器的增长₂在InAs沟道上产生一个突变的无氧化物界面，这是高性能InAs MOS器件的重要前提。HfO的界面性能和电学性能₂/InAs MOS电容器受到栅极金属HfO的强烈影响₂沉积温度、金属后退火和HfO之间的界面控制层₂和在渠道。铂势垒金属有效地抑制了界面的形成从而显著改善栅极泄漏和栅极堆栈的绝缘质量。HfO的栅极氧化物完整性和栅极介电常数₂通过250°C ALD沉积和300°C PMA处理可以进一步改善。富含as的InAs IL进一步抑制表面态，这可以通过栅极泄漏和损耗/反转电容的减少得到证明。

致谢

这项工作由中华民国国家科学委员会根据合同NSC 99-2622-E-008-017-CC1和台湾半导体制造公司(TSMC)的联合开发项目(JDP)支持。作者非常感谢与台积电的林永仁博士、郑志正博士、高志宏博士和万志宏博士的宝贵讨论。

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