Effect of high temperature annealing on cryogenic transport properties of silicon MOSFETs with a thin SiO2/HfO2 stacked dielectric

材料科学 电介质 退火(玻璃) 高-κ电介质 光电子学 MOSFET 栅极电介质 电子迁移率 凝聚态物理 晶体管 电气工程 复合材料 电压 物理 工程类
作者
Ze Li,Guodong Yuan,Di Zhang,Yumeng Liu,Haoran Long,He Li,Dechen Wang,Zhongming Wei,Jun‐Wei Luo
出处
期刊:Semiconductor Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:38 (11): 115002-115002
标识
DOI:10.1088/1361-6641/acf407
摘要

Abstract Quantum computing is expected to break the computing power bottleneck with the help of quantum superposition and quantum entanglement. In order to fabricate fault-tolerant quantum computers for encoding quantum information, it is important to improve the cryogenic mobility of silicon-based metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) with a thin gate dielectric layer as much as possible. Based on a thin SiO 2 /HfO 2 stacked dielectric, we investigate the effect of post-deposition annealing (PDA) temperature on the MOSFET cryogenic transport properties. The results show that silicon atoms will diffuse into the HfO 2 to form silicates during PDA, leading to the HfO 2 dielectric constant decrease. As the PDA temperature increases, the proportion of monoclinic hafnium oxide decreases and the tetragonal phase increases gradually. The oxygen vacancy content increases gradually, resulting in fixed charge density increases and the mobility decreases. The contribution of the forming gas annealing (FGA) to the mobility enhancement is clarified and the HfO 2 recrystallization process is revealed from the perspective of long-time annealing. Finally, the mobility peak of silicon MOSFETs with thin SiO 2 /HfO 2 dielectrics is enhanced to 1387 cm 2 (V·s) −1 at 1.6 K, which provides a technical pathway for the development of silicon-based quantum computation.
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