钽掺杂铪基高k栅介质薄膜的离子束制备与表征

论文摘要

为了解决由栅介质层过薄而引起的漏电流显著增加的难题,人们引入了一种具有高介电常数（高k）的材料来取代传统的SiO2。其中,铪基高k材料由于具备较高的介电常数和结晶温度、优异的界面特性和热稳定性以及低的频率色散和漏电流被广泛关注。本实验采用双离子束沉积系统在本底真空5×10-4Pa和工作气压3.2×10-2Pa条件下,于电阻率为38cm的Si衬底上成功制备了高质量的Ta2O5和HfTaO薄膜。着重探究了薄膜微结构、介电特性与辅源离子能量、掺杂含量之间的潜在关系。此外,还研究了不同金属栅电极（Ag、Au、Pt）对HfTaO基MOS电容漏电流、电容值、可靠性、导电机制的影响。实验结果显示:（a）在辅源能量200eV下制备的Ta2O5薄膜具有最小的表面粗糙度和优异的界面特性。由C-V/I-V特征曲线表明,200eV下制备的Ta2O5基MOS电容具有最小的平带电压偏移量、等效氧化层密度以及漏电流。研究表明合适的辅源能量可有效改善薄膜生长机制,使薄膜由类岛状沉积转化为层状生长,从而提高晶粒均匀性、薄膜平整度以及致密性,使薄膜具有较好的电学性质。（b）通过向HfO2中掺杂Ta元素,可有效提高其物理、电学特性。尤其是Hf0.54Ta0.46O样品显示了大的介电常数（22）,高的结晶温度900℃,小的平带电压偏移、氧化层电荷密度以及漏电流。（c）由于Pt金属具有高的功函数φm s（Pt）=5.65eV,因此Pt/HfTaO/Si/Pt电容在等效厚度Eot小于Ag, Au样品的情况下,仍然具有最小的漏电流。总言之,Pt金属极具成为下一代MOS器件中栅电极的潜质。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 高k 栅介质薄膜的概况
• 1.1.1 高k 栅介质薄膜的研究背景
• 1.1.2 高k 材料的发展历程
• 1.2 高k 栅介质材料的具体要求
• 1.3 Hf 基高k 栅介质材料
• 1.3.1 Al 掺杂
• 1.3.2 Si 掺杂
• 1.3.3 Ta 掺杂
• 1.3.4 N 掺杂
• 1.4 新型的“堆垛结构”
• 1.5 迁移率退化的探讨
• 1.6 本论文工作的意义及主要研究内容
• 参考文献
• 20₅、HfTaO 薄膜的制备和表征'>第二章 Ta₂0₅、HfTaO 薄膜的制备和表征
• 2.1 薄膜制备
• 2.1.1 实验装置及设备技术参数
• 20₅、HfTaO 薄膜的沉积'>2.1.2 Ta₂0₅、HfTaO 薄膜的沉积
• 2.1.3 薄膜后退火处理
• 2.2 薄膜的分析表征
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.2 膜厚测量
• 2.2.3 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.4 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 薄膜性质表征
• 2.3.1 紫外—可见光分光光度测试
• 2.3.2 I-V 测试
• 2.3.3 C-V 测试
• 参考文献
• 20₅薄膜结构、电学性质的影响'>第三章 辅源能量对Ta₂0₅薄膜结构、电学性质的影响
• 20₅ 薄膜的结构'>3.1 Ta₂0₅薄膜的结构
• 20₅ 薄膜的XRD 分析'>3.1.1 Ta₂0₅ 薄膜的XRD 分析
• 20₅ 薄膜的AFM 分析'>3.1.2 Ta₂0₅ 薄膜的AFM 分析
• 20₅ 薄膜的电学性质'>3.2 Ta₂0₅薄膜的电学性质
• 20₅ 薄膜的C-V 特性分析'>3.2.1 Ta₂0₅ 薄膜的C-V 特性分析
• 20₅ 薄膜的I-V 特性分析'>3.2.2 Ta₂0₅ 薄膜的I-V 特性分析
• 20₅ 薄膜的透光性质'>3.3 Ta₂0₅薄膜的透光性质
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 HfTaO 薄膜结构和电学性质的研究
• 4.1 HfTaO 薄膜的结构
• 4.1.1 HfTaO 薄膜的EDAX 分析
• 4.1.2 HfTaO 薄膜的XRD 分析
• 4.1.3 HfTaO 薄膜的XPS 分析
• 4.1.4 HfTaO 薄膜的SEM 分析
• 4.1.5 HfTaO 薄膜的AFM 分析
• 4.2 HfTaO 薄膜的电学性质
• 4.2.1 HfTaO 薄膜的C-V 特性分析
• 4.2.2 HfTaO 薄膜的I-V 特性分析
• 4.3 退火后HfTaO 薄膜的电学性质
• 4.3.1 退火后HfTaO 薄膜的C-V 特性分析
• 4.3.2 退火后HfTaO 薄膜的I-V 特性分析
• 4.4 HfTaO 薄膜的光学性质
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 不同金属电极（Ag、Au、Pt）对HfTaO 基MOS 电容器电学性质的影响
• 5.1 Ag, Au, Pt/HfTaO/Si MOS 结构的电学特性
• 5.1.1 Ag, Au, Pt/HfTaO/Si MOS 电容的C-V 特性
• 5.1.2 Ag, Au, Pt/HfTaO/Si I-V 特性曲线的比较
• 5.2 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢