小尺寸超薄HfTiON/GGO堆栈高k栅介质InGaAs nMOSFET研究

研究高速低功耗小尺寸InGaAs nMOSFET的核心技术- - 新型超薄HfTiON/GGO堆栈高k栅介质的制备方法和技术。从界面工程和栅堆栈工程关键问题入手，重点研究超薄GGO界面层的制备技术和HfTiON介质的最佳Ti、N含量，并对淀积前InGaAs表面预处理技术进行最佳化研究，以获得高稳定低界面态密度的GGO/InGaAs界面。同时利用HfTiON较大的k值设计较大的物理厚度有效抑制栅极漏电。将研究超高真空淀积法制备上述栅介质和界面层的最佳工艺和条件以及介质的最佳物理和化学结构,研制出相应的InGaAs nMOSFET原型样品。GGO界面层和高k HfTiON的堆栈使用，不仅能获得低界面态/固定电荷密度，进而高的载流子迁移率和低的栅极漏电，而且可以获得高k值和小的EOT，从而提高电流驱动能力、减小亚阈斜率。对16 nm工艺节点以下新一代InGaAs MOS集成电路的研发将产生重要影响。

随着Si CMOS器件正在接近它的物理极限，寻找合适的高迁移率沟道材料以进一步提高器件驱动电流和工作速度成为当前国际上热门研究课题。III-V族化合物半导体(如GaAs、InGaAs)和Ge分别以其高的电子和空穴迁移率引起人们极大的研究兴趣，有望替代Si成为下一代CMOS器件的沟道材料。因此，本项目开展有关InGaAs MOS器件的研究具有重要的科学意义和应用前景。.本项目主要研究(In)GaAs表面钝化技术、界面钝化层技术、堆栈高k栅介质的结构设计和制备工艺以及界面特性分析、器件电特性的测量与刻划、堆栈高k栅介质InGaAs MOSFET原型样品的制备。研究期间，开展了不同界面钝化层(如GGO、TaON、AlON、LaON、LaGeON、LaSiON、ZrLaON、ZrAlON、YON等)，不同表面处理技术(如N2、NH3等离子体处理、氟化处理)以及不同退火温度和气氛对(In)GaAs MOS器件界面和电特性影响的研究，在降低界面态密度(Dit)和氧化物电荷密度(Qox)、增加栅介质等效k值、减小等效氧化物厚度、降低栅极漏电(Jg)等方面取得了许多重要成果：①以GGO作为钝化层，并进行NH3等离子体处理，制备的HfTiON/GGON堆栈栅介质InGaAs MOS器件，获得了低的Jg (1.3×10-6 A/cm2@Vg=Vfb+1V），高的k值(25)，低的Dit(1.0×1012 cm-2eV-1)，小的电容等效厚度(1.6nm)；②采用磁控溅射方法交替淀积0.5nm TiON和0.5nm TaON制备的多层复合TiON/TaON/InGaAs MOS器件，Jg=8.5×10-6 A/cm2@Vg=Vfb+1V，k20、Dit=1.0×1012 cm-2eV-1， Qox=4.9×1011 cm-2；③以TaLaON为钝化层并进行F化处理、TaYON为高k层制备的GaAs MOS电容器，Dit降至8.0×1011 cm-2eV-1，Jg=6.35×10-6 A/cm2@Vfb+1V，k值21.5；④TaON和LaON与(In)GaAs有好的界面特性，能有效阻挡元素间的互扩散，体现出优良的钝化效果。上述研究成果均处于国际先进水平。已在国际国内重要期刊和国际会议上发表学术论文18篇(国际10篇，国际会议2篇，国内核心期刊6篇)以及2篇博士和3篇硕士学位论文。