臭氧浓度对砷化镓原子层沉积HfO2的影响

臭氧浓度对砷化镓原子层沉积HfO2的影响

系统研究了臭氧（O3）浓度（90,300 g/Nm3）对以四（二甲氨基）铪（TDMAHf）为Hf前驱体的GaAs晶圆上HfO2薄膜原子层沉积的影响，包括MISCAP性能和相关微观结构。高分辨率透射电镜分析表明，随着O3浓度的增加，GaAs衬底的氧化作用增强，导致高k介电介质与衬底之间的界面层（IL）厚度增加。

PDA后仍能保持薄层IL，而高k （HfO2）层由于致密化而收缩约12%。而当O3浓度为300 g/Nm3时沉积的HfO2膜产生了相对 厚的IL和较薄的高k层，在PDA后两者没有明显变化。这导致Cmax的变化取决于不同的O3浓度。当O3浓度为90 g/Nm3时，观察到泄漏电流密度呈一个数量级增加，并讨论了相应的微观结构变化。

1. 介绍

高迁移率的通道材料，如Ge、GaAs和In Ga1-xAsx，在过去的5年中越来越受到关注，以取代Si作为扩展CMOS技术的基本方法。然而，与Si/SiO2系统不同的是，它们的氧化物不能作为其动力稳定的介电层，因此栅极氧化物和这些衬底之间的界面的“钝化”仍然是器件制造的障碍。到目前为止，研究的重点是在器件制造过程中减少界面氧化物的方法，包括栅极绝缘体的沉积。

很近关于基于锗的器件的报告表明，通过使用臭氧（O3）表面处理在界面上产生化学计量的GeO2，可以增强性能[1,2]。对于iii - v，已经有各种各样的尝试来钝化缺陷状态，包括a-Si沉积。尽管对于哪个过程减少缺陷状态的形成有一个共识，但是一个“适当的”指导方针仍然不存在。利用TMA和H2O沉积Al2O3的原子层沉积（ALD）过程是一种自清洁沉积过程，在金属预游标注入过程中消耗了大量的Ga和As亚氧化物。然而，使用O3时，即使在第一次注射时也发生了大量氧化，因此自清洁不再有意义。同时，用O3沉积的ZrO2的ALD形成了一个突然的界面，并表现出优异的器件[4]。与O3工艺在Si上广泛实验相比，O3工艺在iii - v上的应用研究正在不断发展，但很少有能够准确理解其效果的研究[5,6]。

因此，本研究探讨了O3浓度对GaAs原子层沉积HfO2的影响，以期对O3采用ALD工艺提供更清晰的认识。将详细展示使用高分辨率透射显微镜（HRTEM）进行电学和微观结构分析的系统评估以及沉积后退火（PDA）前后的电学特征。

2.   实验

p型（1 0 0）GaAs分别用丙酮-甲醇- di浸泡1 min，然后用20% (NH4)2S浸泡10 min，用N2气吹干，直接转移到ALD室。以不同O3浓度（90 g/Nm3和300 g/Nm3为设定值,可用Atlas H30 来替代）在常规行波ALD体系（Cambridge NanoTech, Savannah）中，在250℃的沉积温度下沉积高k介电HfO2 （~5 nm）薄膜。采用Hf[N(CH3)2]4作为金属前驱体。在600℃下进行30 s的沉积后退火（PDA），通过阴影掩膜将100 nm的Pt电子束沉积形成金属-绝缘体-半导体电容器（MISCAP）结构的栅极。

采用惠普4284 LCR仪和Keithley K4200半导体参数分析仪对miscap的电容电压（C-V）特性和漏电流密度（Jg-V）进行了测量。利用椭偏仪测量了HfO2薄膜的物理厚度，并通过hrtem （JEOL JEM 2100F）进行了验证。获得了HfO2薄膜的选择区域衍射（SAD）图，以评价其结晶性。

3. 结论

采用两种不同浓度的TDMAHf和O3通过ALD形成厚度为5 nm的HfO2薄膜，研究O3浓度对gaas基MISCAP性能和相关微观结构的影响。与O3浓度为300 g/Nm3时制备的HfO2膜相比，90 g/Nm3时氧化能力较弱，因此ALD过程中HfO2膜的界面层形成减少。PDA处理后界面保持薄，高k （HfO2）层由于致密化收缩约12%。另一方面，当O3浓度为300 g/Nm3时，沉积的HfO2膜的界面层相对较厚，高k （HfO2）层相对较薄，即密度较高，两者在PDA处理后差异不大。物理厚度的变化反映在C-V结果中，当O3浓度为90 g/Nm3时制备的HfO2膜的Cmax显著增加，而当O3浓度为300 g/Nm3时制备的HfO2膜在PDA后基本保持不变。然而，在90 g/Nm3的情况下，泄漏电流密度增加超过一个数量级是一种权衡。进一步分析表明，在退火过程中，HfO2膜中氧的相对缺乏和低O3浓度的样品的界面非常薄是关键作用，并被衬底元素利用，这些元素很可能扩散到HfO2中。