La2O3无帽层后置偶极子VFB调控技术：低温退火诱导氧迁移与界面优化研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Experiment Investigation of La2O3 Dipole-Last Cap-Less VFB Tuning Technology With Low-Thermal Post Deposition Anneal

本研究针对纳米片环栅晶体管多阈值电压调控中传统金属栅厚度调整受限的难题，提出了一种La2O3无帽层后置偶极子VFB调控技术。通过系统研究450°C/650°C后沉积退火温度的影响，发现该技术可实现120mV的平带电压正调制和0.09nm的等效氧化层厚度缩减，同时有效抑制界面态密度和栅极漏电流。该研究为高k金属栅结构提供了一种低热预算的Vt调控解决方案。

　　

在半导体技术迈向3纳米及更先进节点的征程中，纳米片环栅晶体管（GAA-FET）因其卓越的栅极控制能力成为延续摩尔定律的关键。然而，当多个纳米片垂直堆叠时，片间距（T_sus）的限制给传统阈值电压（V_t）调控方法带来了严峻挑战——通过调节功函数金属（WFM）厚度来实现多阈值电压（multi-V_t）的技术几乎走到了尽头。这就好比要在越来越狭窄的楼层间隙中调整电梯井道的结构，传统方法已然束手无策。

正是在这样的技术瓶颈下，偶极子工程（dipole engineering）应运而生，成为近年来行业关注的焦点。其中，La₂O₃因其在NMOS晶体管中能产生负偶极效应而被广泛研究。但传统的La₂O₃后置偶极子工艺（dipole-last process）需要沉积牺牲覆盖层（cap layer）并进行高温（>900°C）驱动退火，不仅导致高k介电层结晶化，还会引起界面质量退化，更增加了工艺复杂性和残留腐蚀风险。

针对这些挑战，王宇等人在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上发表的研究提出了一种创新的La₂O₃无帽层后置偶极子V_FB调控技术。该技术摒弃了传统工艺中的覆盖层沉积步骤，直接在后沉积退火（PDA）后去除La₂O₃层，显著简化了工艺流程并降低了热预算。

研究人员采用原子层沉积（ALD）技术在280°C下依次沉积HfO₂和La₂O₃层，通过对比450°C和650°C两种PDA温度，系统评估了该技术对金属氧化物半导体电容（MOSCAP）电学特性的影响。关键实验技术包括高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、电容-电压（C-V）和电流-电压（I-V）测量等分析方法。

A. 正V_FB调制与EOT缩减

研究发现，La₂O₃无帽层后置工艺呈现出与传统认知截然不同的V_FB调制行为——不是预期的负调制，而是显著的正调制效应。

图2(c)的C-V曲线清晰显示，经过La₂O₃无帽层后置工艺处理的器件均出现明显的正向偏移，且随着PDA温度从450°C升高到650°C，这种正向偏移效应愈发显著。具体而言，650°C PDA处理的样品实现了120mV的V_FB正调制，同时等效氧化层厚度（EOT）减少了0.09nm（7.5%）。

图3的统计数据分析进一步揭示，虽然较高的PDA温度增强了V_FB调制能力，但也导致了器件参数均匀性的下降，这表明热预算对器件可靠性存在重要影响。

栅极漏电特性改善

在EOT缩减的同时，研究还观察到了栅极漏电流的抑制现象。在V_FB+1V的过驱动偏压下，参考器件、450°C和650°C PDA处理的器件的栅极漏电流密度分别为2.3×10^-2、1.54×10^-2和1.52×10^-2 A/cm²。这种漏电特性的改善暗示着缺陷密度的降低，为后续的缺陷分析提供了重要线索。

B. 体缺陷与界面态密度影响

通过双扫C-V测量获得的V_FB滞后现象分析显示，La₂O₃无帽层后置工艺虽然改善了界面特性，但增加了氧化层中的陷阱/去陷阱电子密度（N_ot）。

图6数据显示，参考器件、450°C和650°C PDA处理的器件的N_ot值分别为2.02×10¹²、2.19×10¹²和3.58×10¹² cm^-2，表明较高的PDA温度确实增加了氧化层中的电荷陷阱密度。

与此形成对比的是界面态密度（D_it）的改善。通过多频C-V测量获得的并联电导分析显示，La₂O₃无帽层后置工艺显著降低了SiO₂/Si界面的缺陷密度。

图7(b)显示，参考器件、450°C和650°C PDA处理的器件的D_it值分别为1.08×10¹²、6.44×10¹¹和6.7×10¹¹ eV^-1cm^-2，证明该工艺具有良好的界面钝化能力。

C. 元素分布分析与机理阐释

为了深入理解上述现象背后的物理机制，研究人员通过EDX分析揭示了元素分布的关键信息。

图8的EDX分析显示，在经过去除处理后，介电层中未检测到La元素残留，这与传统工艺有本质区别。更重要的是，随着PDA温度从450°C升高到650°C，HfO₂层中的氧原子比率明显下降，这表明氧空位浓度随温度升高而增加。

基于这些发现，研究团队提出了La₂O₃辅助氧迁移模型来解释V_FB正调制机制。该模型认为，HfO₂和La₂O₃之间氧原子面密度的差异驱动了氧原子从HfO₂向La₂O₃迁移，导致HfO₂层中产生氧空位，从而实现V_FB的正向调制。

图9的机理示意图直观展示了这一过程：在PDA过程中，氧原子从HfO₂层扩散至La₂O₃层，增加了HfO₂层中的氧空位浓度，这些带正电的氧空位进而调制了平带电压。同时，从HfO₂/SiO₂界面迁移的氧原子补偿了HfO₂层中的氧空位，导致界面层（IL）变薄，从而解释了EOT的缩减现象。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了La₂O₃无帽层后置工艺独特的V_FB正调制现象，并提出了基于氧迁移的物理机制模型。相比传统高温工艺，该技术将热预算显著降低至650°C以下，同时实现了V_FB调制、EOT缩减和界面钝化的协同优化，为先进节点GAA-FET的多V_t调控提供了一种极具前景的技术路径。