降低栅极中陷阱的密度

降低栅极中陷阱的密度

低温退火能降低新一代MOSFET栅极界面陷阱的密度。

来自中国的一个工程团队宣称，他们已经制备出了具有最低界面陷阱密度的Al₂O₃ 和InP薄膜堆叠结构。

他们利用了一种新型的低温热处理工艺来制备这种薄膜堆叠结构，这将有助于III-V MOSFET的发展，是一项很有发展潜力的技术，有望在未来五年甚至更长时间内来保持摩尔定律的前进步伐。

研究团队的工作是在III-V族 MOSFET中制作具有更高质量的栅极。在 表面用原子层沉积技术来生长高K介质层会导致在其界面处出现高密度的界面缺陷。为了克服这一缺点，研究团队尝试在介质和沟道层之间插入一个阻挡层，尽管这样做有助于提升沟道的质量，但是在阻挡层和介质层间的界面依然会出现缺陷。但是利用他们的工艺开发成果就能够有效地降低这种缺陷的密度，该成果由中国科学院和桂林电子技术大学合作完成。

根据文章通讯作者中国科学院Sheng-Kai Wang对他们工作的描述，他们工艺的创新之处就在于放弃了在沉积后进行非原位的高温退火工艺。

Wang说道：“总体来说，沉积后的退火一般需要相对较高的温度，比如采用超过400℃的Celcius退火工艺以形成高质量的介质层”。“然而，我们通过对样品进行气体热脱附谱(TDS)和X射线光电子能谱（XPS）表征后发现，高温退火工艺对Al₂O₃/InP界面会产生损伤的”。

Wang和他的合作者通过表征在n型InP衬底上MOS电容的性能，证明了他们工艺的优势。为了制备这种器件，他们首先利用化学清洗方法来去除衬底表面的天然氧化层，并使表面产生钝化，然后用原子层沉积方法在该表面沉积一个3nm厚的Al₂O₃层，再用电子束蒸发来沉积厚度为200nm、面积为7.85×10^-5 cm²的Al层，最后在真空环境中200℃温度下进行10min左右的沉积后的退火处理。

为了确认在金属化后进行退火的影响，并不是所有的样品都按照上述工艺进行处理，有一些样品则是氮气环境中在250℃-350℃ 温度范围内来退火30秒。

工程师们在10Hz-1MHz频率范围内来测量样品的电容-电压（CV）关系曲线，来研究所有MOS电容的质量。

根据Wang的观点，结果说明对于Al₂O₃/InP堆叠结构的电容-电压（CV）关系曲线来说，用他们工艺制作的电容器在积累状态时具有最小的频率离散。

这些CV曲线是用来确定电容器中的界面陷阱密度。

如果在金属化完成后没有进行退火，器件陷阱密度的CV测量结果为1.5-2.5 x 10¹² cm^-2 eV^-1。在进行退火之后，这种陷阱密度会降低。如果一个MOS电容器在300℃温度下进行金属化后的退火处理，可以得到最低数值的陷阱缺陷密度，为1.2 x 10¹¹ cm^-2 eV^-1_，

Wang和他的同事们也测量了电容器栅极的漏电流密度，发现在300℃温度下进行退火的器件这一性能也最佳。

为了确认为何在300℃温度下退火的电容器具有最佳的性能，研究团队进一步利用TDA和XPS对他们的器件样品进行了仔细的分析，发现如果在沉积Al₂O₃膜后立刻进行温度为 200℃的退火，并不能去除样品中残留的水，但是当金属化后退火温度达到300℃时，样品中的水就能全部除去。

在8英寸硅衬底上利用低温退火工艺制备宽度为20nm、具有高质量隐埋沟道的InGaAs-Fin结构

然而，电容器在退火温度上的进一步提升实际上是对其性能是有害的。当退火温度升高至350℃时，由于InP衬底会发生分解而导致其中磷的析出。

根据他们的研究成果，研究团队建议将热退火处理温度控制在350℃以下，以防止产生衬底中磷原子的析出。而由于碳元素污染和残余磷的氧化所导致的界面缺陷、在积累区电容频率的离散以及栅极漏电等问题都能够通过300℃温度下的退火给以消除。

研究团队正在用这种极具发展潜力的工艺来制作栅极，还要攻克在大尺寸硅晶圆上制备的难题，以及能在InGaAs- FinFET上生长高K介质/InP层的堆叠结构。

Wang总结说道： “我们现在已经在8英寸硅衬底上成功地制作出了宽度为20nm、具有高质量隐埋沟道的InGaAs-fin结构，其中还包含了等效氧化层厚度约为1nm的介质层”。

S.-K. Wang et. al. Appl. Phys. Express 8 091201 (2015)