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TaON界面层Hf基高κ栅介质GeMOS电容特性研究
摘要：
随着摩尔定律的推进，功率制约和结构制约也成为半导体器件发展的瓶颈。高κ介质材料的提出解决了传统SiO2介质对于摩尔定律的限制，但不同高介质材料的深入研究仍然是必要的。本文通过在GeMOS电容中加入HfO2高κ介质材料，并通过界面层的控制和TaOX氧化层的渲染，对该结构的电性能进行研究。实验结果证明，TaON界面层的丰富使用可以大幅提高HfO2介质在GeMOS电容中的性能，同时优化界面层可以有效地控制晶格匹配度，从而提高结构的稳定性。
关键词：高κ介质，界面层，GeMOS电容，HfO2，TaON，晶格匹配度。
Abstract：
WiththeadvancementofMoore'sLaw,powerconstraintsandstructuralconstraintshavealsobecomebottlenecksinthedevelopmentofsemiconductordevices.Theintroductionofhigh-κdielectricmaterialshassolvedthelimitationoftraditionalSiO2dielectriconMoore'sLaw,butthein-depthstudyofdifferenthigh-κdielectricmaterialsisstillnecessary.Inthispaper,theelectricalpropertiesoftheGeMOScapacitorarestudiedbyaddingHfO2high-κdielectricmaterialandcontrollingtheinterfacelayerandTaOXoxidelayerrendering.TheexperimentalresultsshowthattheuseofTaONinterfacelayercangreatlyimprovetheperformanceofHfO2dielectricinGeMOScapacitors.Atthesametime,optimizingtheinterfacelayercaneffectivelycontrolthelatticematchingdegree,therebyimprovingthestabilityofthestructure.
Keywords:high-κdielectric,interfacelayer,GeMOScapacitor,HfO2,TaON,latticematchingdegree.
引言：
随着半导体制造工艺的逐渐升级，以及微处理器结构的不断升级，摩尔定律已经成为半导体器件设计和制造的基石。但由于传统SiO2介质的物理性质限制，每一代芯片结构的尺寸缩小速度会趋于减缓，这也给当今半导体行业的进一步发展带来了很大的困境。为此，高κ介质的推广成为了解决SiO2缩小带来的瓶颈问题的必然选择。
目前主流的高介质材料有HfO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等，其中HfO2介质材料具有高介电常数、热稳定性较强、没有电漏等优势，已经被广泛应用于二氧化硅介质的代替。然而，由于Ge和HfO2之间的晶格不匹配以及HfO2和SiO2之间的贯穿性晶界等问题，直接将HfO2应用在GeMOS电容的制造中仍存在一定的难度。
本文通过在HfO2介质中引入TaON界面层，及通过对TaOX氧化层的优化和渲染，研究不同结构下的GeMOS电容的电性能，并探索晶格匹配度对于结构性能的影响，为高κ介质在新型半导体器件中的进一步设计和开发提供参考。
一、实验工艺
在本实验中，GeMOS电容的制造工艺如下所示：
图1GeMOS电容制造工艺流程图
首先，经过去除氧化层和极化处理等步骤后，将高质量的Ge基片与热氧化SiO2隔离层以及底电极TiN层一起送入真空物理气相沉积（PVD）设备，通过磁控溅射方式制造出1nm的还原Ge层和10nm~15nm的n+Ge层。在此基础上，通过分子束外延（MBE）技术，沉积形成5nm的Ga2O3界面层、2nm的TaON界面层以及5nm的HfO2介质层。确定电容的面积大小后，通过电子束光刻和电镀工艺制造出电容的金属上电极。最后，通过混合酸蚀刻工艺去除上述步骤中制造的残留物，并形成包覆电容的氮化层，从而完成GeMOS电容的制造。
二、实验结果与分析
通过不同条件下GeMOS电容的测试结果，我们得到了基于不同结构条件下的电容C-V和G-V性能曲线，如下图所示：
图2C-V和G-V性能曲线图
从图2中可以看出，经过优化处理的GeMOS电容的电容量明显高于单纯采用HfO2介质的电容，同时界面层处理能够控制电容的电流密度和漏电流密度，从而保证了电容的稳定性和长寿命性