《Microelectronics Journal》：ALD-HfO
2 Thickness-Engineered Interface Passivation for Sol-Gel-Driven High-k Pr
xO
y MOS Gate Stacks
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摘要本研究提出了一种有效的集成策略，通过使用薄的ALD沉积的HfO2层作为界面钝化层，来优化高性能溶胶-凝胶法制备的PrxOy栅极电介质的性能。我们系统研究了由ALD工艺控制的钝化层厚度对器件整体电气和热性能的关键影响。经过优化，当HfO2层沉积25次后，该器件展现出优异的性能指
摘要
本研究提出了一种有效的集成策略，通过使用薄的ALD沉积的HfO2层作为界面钝化层，来优化高性能溶胶-凝胶法制备的PrxOy栅极电介质的性能。我们系统研究了由ALD工艺控制的钝化层厚度对器件整体电气和热性能的关键影响。经过优化，当HfO2层沉积25次后，该器件展现出优异的性能指标：高介电常数达21.33，漏电流密度为4.79×10-7 A/cm2，界面陷阱密度仅为4.41×1011 cm-2·eV-1。在温度变化测试中，其平带电压变化最小，体现了出色的热稳定性。场效应分析显示，在低场条件下S1材料的传输行为类似SE型，中等场强下呈现PF型线性特征，而高场条件下则为FN型特性。低频噪声分析也表明，经过优化钝化的器件陷阱密度极低。我们的研究结果表明，ALD技术实现的HfO2界面工程对于充分发挥PrxOy在可靠的高介电常数MOS应用中的潜力至关重要。
引言
随着金属-氧化物-半导体（MOS）器件持续向更小尺寸发展，人们越来越迫切需要既能保持高性能又能降低功耗的栅极电介质[1]。长期以来，二氧化硅（SiO2）一直是集成电路栅极电介质的核心材料，但当其物理厚度降至2纳米以下时，就会遇到诸多限制。此时，过高的隧穿漏电流以及退化的击穿性能会严重影响器件可靠性，阻碍进一步微型化的发展[2]。为突破这些限制，高介电常数材料逐渐成为替代SiO2的理想选择。诸如Ta2O5、HfO2、Al2O3、TiO2、Y2O3、ZrO2以及各类稀土氧化物等材料，均能在保持较大物理厚度的同时提升静电控制能力[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其中，氧化镨（PrxOy）因其较高的介电常数、宽禁带以及出色的热稳定性而备受关注[10]、[11]，这些优点使其成为先进MOS应用中极具潜力的栅极电介质[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，将基于PrxOy的栅极结构实际应用于器件中仍面临诸多挑战，主要源于界面降解、硅酸盐形成以及热处理过程中的缺陷产生，这些问题会提升界面陷阱密度，进而影响MOS器件的电气性能[17]、[18]。
在制备高介电常数薄膜时，磁控溅射、原子层沉积（ALD）和电子束蒸发等成熟技术被广泛应用。尽管这些方法能够制备出高质量薄膜，但往往需要复杂的设备以及严格的高真空环境。相比之下，溶胶-凝胶法则提供了一种更具优势的替代方案，它具有成本低、工艺简单、均匀性好以及成分可控性强等优点[19]、[20]。因此，基于溶胶-凝胶法的电介质薄膜在MOS器件和薄膜晶体管（TFT）领域受到了广泛关注。不过，一个长期存在的难题是，溶胶-凝胶法制备的PrxOy薄膜与硅基底之间的界面稳定性较差，尤其是在沉积后的退火处理之后，这会导致器件关键电气性能的下降。为解决这一问题，需要通过精细的界面工程设计，有效抑制不必要的界面反应，降低缺陷密度。
HfO2是一种成熟的高介电常数材料，以其出色的热稳定性、宽禁带以及与硅加工工艺的良好兼容性而著称。通过原子层沉积技术制备的HfO2薄膜能够实现精确的厚度控制，具有高密度和优异的均匀性，因此非常适合作为界面钝化层[21]。在PrxOy/Si栅极结构中引入一层薄的ALD沉积的HfO2中间层，有望提升界面质量，降低缺陷密度，提高器件可靠性，同时不会显著增加等效氧化物厚度（EOT）。不过，目前关于ALD沉积的HfO2钝化层厚度对溶胶-凝胶法制备的PrxOy栅极电介质影响的系统研究还相对较少，尤其是那些涉及传导机制和低频噪声分析的研究更是寥寥无几。
在本研究中，我们通过将溶胶-凝胶法制备的PrxOy薄膜与不同厚度的ALD沉积HfO2钝化层相结合，成功制备了PrxOy/HfO2/Si栅极结构。我们通过电容-电压（C-V）、电导-电压（G-V）、电流密度-电压（J-V）测试，以及温度依赖性电气特性测试和低频噪声分析，系统研究了钝化层厚度对界面稳定性和电气性能的影响。研究结果表明，优化后的HfO2钝化层能够显著提升电介质性能，降低界面陷阱密度，增强器件的热稳定性。本研究为提升基于PrxOy的MOS器件在下一代CMOS技术中的应用性能提供了实用的界面工程设计思路。
章节节选
实验部分
首先将六水合硝酸镨（Pr(NO3)3·6H2O）溶解在无水乙醇中，配制成浓度为0.1摩尔/升的前驱体溶液。将该溶液在室温下以1200转/分钟的速度磁力搅拌12小时，以确保完全溶解并达到均匀状态。在沉积之前，还需用0.22微米的注射器过滤器对溶液进行过滤，去除其中的残留颗粒，从而得到清澈且均匀的前驱体溶液。实验中使用的基底为N型硅片，这些硅片先经过标准的RCA清洗程序进行处理
结果与讨论
为阐明HfO2钝化层的功能，我们首先制备了一个未经钝化的PrxOy/Si对照样品（S5），并对其进行了系统测试。如图S1所示，结合补充信息中的详细分析，该对照样品的界面存在化学缺陷且电气性能不稳定。虽然该对照样品在室温下的C-V滞后窗口较小，仅为0.08伏特，但其界面陷阱密度高达2.76 × 1012 cm-2·eV-1，此外还存在热效应带来的问题
结论
综上所述，本研究系统分析了HfO2钝化层对PrxOy/HfO2/Si栅极结构界面特性、电气性能以及热性能的影响。经过优化，当HfO2层通过ALD工艺沉积25次后，所得器件展现出卓越的整体性能：其介电常数高达21.33，频率分散率为2.97%，漏电流密度仅为4.79 × 10-7 A/cm2，击穿电压为6.5伏特，界面态密度则为4.41×1011 cm-2·eV-1，均为较低水平。
作者贡献说明
徐绍武：概念设计、研究方法、数据整理、结果验证、初稿撰写。童长青：论文修改与润色。任毅：论文修改与润色。陈宗钦：论文修改与润色。陈伟华：论文修改与润色。吴志明：论文修改与润色。高谦：论文修改与润色、研究指导、资金申请。何刚：论文修改与润色、研究指导、资金申请。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持，相关项目编号为52303306和52202156；同时也获得了安徽省高等学校科研计划项目的资助，项目编号分别为2023AH050100和2022AH050113；此外还得到了安徽省重点自然科学研究计划项目（KJ2021A1088）的资助，以及安徽省自然科学基金的经费支持，项目编号为2308085QE139。
徐绍武|童长青|任毅|陈宗钦|陈伟华|吴志明|高谦|何刚
中国安徽合肥230601，安徽大学材料科学与工程学院
