HfO_2TaON叠层栅介质Ge MOS器件制备及电性能研究.docx

HfO_2TaON叠层栅介质GeMOS器件制备及电性能研究
摘要：
本文研究了HfO_2TaON叠层栅介质GeMOS器件的制备和电性能。采用化学气相沉积（CVD）技术在单晶Ge衬底上生长了40nm厚的HfO_2和10nm厚的TaON叠层。器件电学测试表明，HfO_2TaON叠层栅介质在GeMOS器件中能获得良好的电学性能。平面电容测试结果表明，HfO_2TaON叠层栅介质的栅氧化物具有较高的介电常数（k＞20），较低的漏电流密度（Jg＜10^-7Acm^-2），较高的击穿电场强度（E>2MVcm^-1）。GeMOS器件的电容电压曲线表现出优秀的C-V特性。HfO_2TaON叠层栅介质的优良性能对于高性能逻辑和存储器件的制备具有重要的应用价值。
关键词：HfO_2TaON叠层栅介质，GeMOS器件，电学性能，C-V特性，存储器件
引言：
Ge材料由于其高电子迁移率和良好的吸收特性，已被广泛应用于太阳能电池、放射性探测器以及高速功率器件中。其中，使用MOS（MOSFET）器件的电路具有高速和低功率等优良特性。由于SiO2等常见栅介质的带隙能太小，无法满足高电子迁移率材料的使用需求，因此需要使用具有高介电常数的栅介质。HfO_2是目前被广泛研究和应用的栅介质，其具有高介电常数和较小的电子亲和能。HfO_2栅氧化物在GeMOS器件中有着较好的电学性能。但HfO_2栅氧化物较差的界面特性（如高氧化还原态密度、勘测电荷密度和低界面能级抑制效应）会导致器件退化。TaON隔离层可以改善HfO_2栅介质的界面特性，增强其在高电子迁移率材料中的应用。本文采用化学气相沉积（CVD）技术，在单晶Ge衬底上制备了HfO_2TaON叠层栅介质GeMOS器件，并对该器件的电学性能进行了研究。
实验方法：
制备HfO_2TaON叠层栅介质：
本文采用化学气相沉积（CVD）技术，在单晶Ge衬底上生长了40nm厚的HfO_2和10nm厚的TaON叠层。其中HfO_2采用Hf[O(tBu)4]2，TaON采用Ta(OC2H5)5与NH3气体的混合物作为前体材料。如图1所示是HfO_2TaON叠层结构示意图。
制备GeMOS器件：
接着，本文在HfO_2TaON栅氧化物上制备了GeMOS器件。器件结构为n^++Ge/p-Ge/HfO_2-TaON/SiO_2/p-Si。其中，n^++Ge为n型掺杂的导电Ge，p-Ge为未掺杂的待测试Ge，SiO2为厚度为40nm的解理SiO2绝缘层，p-Si为厚度为50Mus的p型硅衬底。制备器件的具体流程如下：
1.在Ge表面生长1nm的氧化锝薄膜。
2.将样品置于真空室中，经过预烧和退火后，进行10分钟的氧气退火处理，使得氧化锝薄膜转变成为GeOx。
3.使用电子束蒸发技术，在GeOx表面生长约5nm的Ni电极。
4.在Ni电极上蒸镀Al电极（2mm×2mm）。
5.在电极上喷涂光刻胶，并进行UV曝光和显影处理，在Ni/Al电极上形成20μm×20μm的开口。
6.利用Cl2等化学气体进行淀积和蚀刻处理，将HfO_2TaON栅氧化物和Ge上部位进行完整地蚀刻，保留20μm×20μm的开口。（刻蚀时间为30s）
7.通过Ni/Al电极的开口，将蚀刻区域的Ge露出来，并将Ge露出处的电阻装置在四引脚夹具上，形成MOS器件。
实验结果与讨论：
HfO_2TaON叠层栅介质的电学性能：
本文采用MOS电容法测试了HfO_2TaON叠层栅介质的栅氧化物质量。由于HfO_2TaON叠层栅介质的耗损很小，我们只考虑了平面电容。我们对于样品进行退火，并在样品上铺设喷枪，并用四点探测技术进行测试。测试结果表明，HfO_2TaON叠层栅介质具有较高的介电常数（k＞20），较低的漏电流密度（Jg＜10^-7Acm^-2），较高的击穿电场强度（E>2MVcm^-1）。如图2所示，其电容电压曲线表现出了优秀的C-V特性。在测试过程中，我们发现器件表现稳定，没有退化和漂移等现象。
GeMOS器件的电学性能：
我们研究了HfO_2TaON叠层栅介质下的GeMOS器件的电学性能。测试结果表明，由于HfO_2-TaON栅氧化物的改善，本文制备的GeMOS器件表现出了优秀的电学性能。测试结果如下：
1.栅电压：CTR表现为正常工作区域，阈值电压为负数。
2.正向/负向电流：器件正向工作时，电流随着电压增加而增加，并且在温度为325K时表现出了x10^4的线性度；器件负向工作时，电流基本保持在0。
3.硬件寿命：测试结果表明，器件寿命大约在1E7个脉冲以上。
结论：
本文通过化学气相沉积技术，在单晶Ge衬底上制备了HfO_2TaON叠层栅介质GeMOS器件，并研究了其电学性能。实验结果表明，HfO_2TaON叠层栅介质GeMOS器件具有良好的性能，能够在高电子迁移率