【摘 要】
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随着CMOS技术节点按比例缩小逐渐走向终结,后摩尔时代新器件将影响和决定未来微电子器件技术发展和集成电路产业格局。传统Si O2栅介质厚度减薄已达到物理极限,其产生的量子隧穿效应极大程度上影响了MOS器件的稳定性及低功耗、高性能电子器件的研发。新型高介电常数（high-k）材料能够在保持或减小等效厚度的同时,能显著提高栅介质层的物理厚度来有效抑制隧穿电流的产生,因此其替代传统的Si O2已成为微电
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随着CMOS技术节点按比例缩小逐渐走向终结,后摩尔时代新器件将影响和决定未来微电子器件技术发展和集成电路产业格局。传统Si O2栅介质厚度减薄已达到物理极限,其产生的量子隧穿效应极大程度上影响了MOS器件的稳定性及低功耗、高性能电子器件的研发。新型高介电常数（high-k）材料能够在保持或减小等效厚度的同时,能显著提高栅介质层的物理厚度来有效抑制隧穿电流的产生,因此其替代传统的Si O2已成为微电子技术发展的必然趋势。稀土Yb2O3栅氧化物材料在满足高k栅介质选择要求的同时,由于其较高的结晶温度、相稳定性和较少的氧空位缺陷等优点引起了科研工作者的广泛关注。硅基半导体材料由于本身固有的低电子迁移率等属性,满足不了半导体产业对高驱动能力的需求。集成电路需要用高迁移率沟道材料来增强小尺寸下栅极电压对沟道电导的控制。因此集成高k介质与Ⅲ-Ⅴ族Ga Sb MOS器件具有高载流子迁移率、低栅漏电的特点,在使集成电路技术继续沿摩尔定律发展方面具有重要意义。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料面临一个巨大的挑战是材料极易氧化且自身氧化物复杂、不稳定。因此,获取高质量的Yb2O3栅介质薄膜、降低栅介质/Ga Sb之间界面态密度成为推动Ⅲ-Ⅴ族半导体在CMOS工艺中更广泛应用的关键。本文主要围绕这些关键科学问题对Yb2O3薄膜制备工艺及Ga Sb界面优化进行了探究。论文的具体研究内容与结果如下:（1）基于磁控溅射技术制备了氧化镱薄膜,探究了溅射功率和退火温度对薄膜晶体结构、光学特性和界面化学的影响。并基于氧化镱薄膜构筑了Al/Yb2O3/Si MOS电容器,对其电学特性进行了测试分析,确定了高质量Yb2O3薄膜制备参数。测试结果表明:20 W制备的薄膜呈现最佳的光学特性,折射率为1.70,透射率高达93%;400℃快速热退火处理的薄膜开始结晶为立方相,300℃退火处理的样品界面氧化物和硅酸盐降低且具有最小的漏电流密度(3.66×10-8 A/cm~2)。以上结果表明适当的退火处理可有效减少界面氧化物的生成,从而获取高质量的栅介质薄膜和最佳的电学特性。（2）提出了针对Ga Sb基MOS电容器的新型界面钝化方法,探讨了不同p H值的（NH4）2S溶液对Al/Yb2O3/Ga Sb MOS结构的界面和电学特性的影响。界面分析表明:硫钝化处理可降低Ga Sb表面粗糙度,且中性的（NH4）2S溶液通过降低对衬底的腐蚀性,从而获得较为平整的表面;中性的（NH4）2S溶液钝化处理可有效降低Ga、Sb相关的硫化物在溶液中的溶解度从而在Ga Sb表面形成较厚的硫保护层,有效去除界面间不稳定氧化物;电学分析表明硫钝化处理可以优化Al/Yb2O3/Ga Sb MOS结构的电容-电压特性且有效降低了沟道层界面态密度（～35%）;（3）基于溅射与ALD技术分别制备了Yb2O3栅介质和超薄Al2O3钝化层,构筑了三种叠层结构（Yb2O3/A12O3,A12O3/Yb2O3和A12O3/Yb2O3/A12O3）。研究了不同堆栈顺序的栅介质层对Ga Sb-MOS器件界面和电学特性的影响。结果表明:Yb2O3/Al2O3/Ga Sb叠层结构实现了最佳的界面化学分布和高质量薄膜生长,这主要由于Al2O3层的抗氧扩散特性有效抑制了栅介质沉积所诱导的界面间相互扩散,避免了二次沉积Al2O3层所造成的不稳定氧化物热分解;Yb2O3/Al2O3/Ga Sb叠层结构实现了最小的漏电流密度(2.25×10-7 A/cm~2)、最大的介电常数（14.14）及陷阱能级（0.65 e V）。为CMOS工艺提供了有潜力的替补材料,为具有高迁移率的Ⅲ-Ⅴ族化合物在低功耗、高性能微电子领域的发展具有重要的意义。
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