SiC/Si异质结构和HfO2高κ薄膜制备及其性能研究

论文摘要

宽带隙半导体材料和高介电常数材料是当今微电子领域的前沿研究课题。SiC是宽带隙半导体的核心材料之一，但其体材料制备较难、价格偏高，严重制约SiC基器件的实际应用。在众多解决方案中，离子注入技术由于不受热力学平衡的限制、且能比较精确地控制注入剂量和埋层厚度，是未来制备高质量、大尺寸SiC材料的重要方法。另一方面，随着硅集成电路深入亚微米、深亚微米范围，采用高介电常数（κ）材料替代传统的SiO2介质已成为必然趋势，有必要开展相关的研究工作。 本文分别采用无质量分析器的大束流离子注入机和线扫描式离子注入机进行了高温碳离子注入的研究，以p型（100）单晶硅片作为衬底，在700℃高温下进行碳离子注入，部分样品在氩气中1250℃下退火5小时。通过这两种注入工艺，均得到了Si／SiC／Si多层结构，即获得SiC埋层。采用IRRS、GAXRD、TEM等分析方法对所获得的SiC埋层进行了结构表征，并研究了SiC／Si异质结构的电子场发射性能，以开发其作为电子发射冷阴极的新用途。IRRS、GAXRD分析结果表明：退火前，埋层主要由非晶相SiC构成；退火后，埋层中SiC的晶态质量明显改善，由非晶相变为纳米多晶β-SiC；注入能量和剂量的选取存在一定的规则，注入能量不同，SiC埋层的深度和厚度不同；在相同注入能量的前提下，改变注入剂量，对埋层的结晶质量影响较大，过高或过低的剂量容易引起埋层的非晶化。退火过程中碳离子向高碳浓度的中心区迁移，埋层厚度较退火前略小。 两种工艺的最大区别在于：采用大束流离子注入工艺时，不同质量数的含碳基团同时注入，实现了埋层的展宽；而线扫描式离子注入所获得的SiC埋层以及顶层硅的结晶质量均较好，多晶β-SiC晶粒镶嵌在衬底硅中，与衬底呈良好的外延关系。 将高温碳离子注入形成的Si／SiC／Si结构中顶层硅刻蚀掉，首次对所获得的SiC／Si异质结构进行电子场发射性能研究，结果表明：该结构的场发射开启电场很低，最低仅为2.6V／μm，且发射强度、均匀性和稳定性很好；SiC／Si异质结构表面β-SiC颗粒状

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带隙半导体材料
• 1.1.1 几种常见的宽带隙半导体
• 1.1.2 SiC材料与器件研究进展
• 1.1.3 宽带隙材料在场发射中的应用
• 1.2 高介电常数材料（高κ材料）
• 1.2.1 高κ材料必须满足的条件
• 1.2.2 高κ材料研究进展
• 2和HfO₂高κ材料'>1.2.3 ZrO₂和HfO₂高κ材料
• 1.3 本论文的工作
• 第二章 SiC／Si异质结构的离子束制备及结构表征
• 4等离子体注入工艺'>2.1 大束流CH₄等离子体注入工艺
• 2.1.1 大束流离子注入机的结构及工作原理
• 2.1.2 SiC／Si异质结构的制备
• 2.1.3 SiC／Si异质结构的表面分析与结构表征
• 2.1.4 小结
• 2.2 线扫描式碳离子注入工艺
• 2.2.1 SiC／Si异质结构的制备
• 2.2.2 SiC／Si异质结构的表面分析与结构表征
• 2.2.3 小结
• 2.3 本章小结
• 第三章 SiC／Si异质结构的电子场发射性能研究
• 3.1 电子场发射的基本原理及测试系统简介
• 3.2 SiC／Si异质结构的电子场发射性能研究
• 3.2.1 电子场发射性能测试
• 3.2.2 注入参数对场发射性能的影响
• 3.2.3 高温退火对场发射性能的影响
• 3.3 本章小结
• 2高κ薄膜制备及其电学性能研究'>第四章 HfO₂高κ薄膜制备及其电学性能研究
• 4.1 多功能沉积系统的结构及工作原理
• 4.2 单晶硅衬底上的氧化铪薄膜
• 4.2.1 单晶硅衬底上氧化铪薄膜的制备
• 4.2.2 单晶硅衬底上氧化铪薄膜的结构表征
• 4.2.3 单晶硅衬底上氧化铪薄膜的电学性能研究
• 4.2.4 小结
• 4.3 SOI衬底上的氧化铪薄膜
• 4.3.1 SOI衬底上氧化铪薄膜的制备
• 4.3.2 SOI衬底上氧化铪薄膜的结构表征
• 4.3.3 SOI衬底上氧化铪薄膜的电学性能研究
• 4.3.4 小结
• 4.4 氮离子束增强沉积氧化铪薄膜
• 4.4.1 氮离子束增强沉积氧化铪薄膜的制备
• 4.4.2 氮离子束增强沉积氧化铪薄膜的结构表征
• 4.4.3 氮离子束增强沉积氧化铪薄膜的电学性能研究
• 4.4.4 小结
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢
• 作者简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明