表面后处理对原子层淀积HfO2介质的高密度MIM电容性能改善研究

表面后处理对原子层淀积HfO2介质的高密度MIM电容性能改善研究

论文摘要

本文采用原子层淀积(ALD)技术,以四(乙基甲胺基)铪(TEMAH)与去离子水(H2O)为反应源,制备了高介电常数HfO2介质薄膜,研究了各种表面后处理方法对HfO2介质金属—绝缘体—金属(MIM)电容的性能改进,通过物理的和电学的测试分析,对介质材料和MIM电容特性进行了表征。论文首次提出采用CFx等离子体对HfO2介质表面进行处理来改善MIM电容的性能。结果发现等离子体氟化处理后,介质表面的粗糙度稍微增加,但仍然保持在较小的水平,表明等离子体表面处理没有明显损伤介质薄膜。XPS分析表明,CFx等离子体处理后,氟原子进入到HfO2介质中并形成了Hf-F键,从而降低了介质中的氧空位数量,然而碳并没有被引入到介质中。电学测量表明等离子体处理后MIM电容密度从9.76 fF/μm2增加到10.17 fF/μm2。氟化处理对100 kHz下MIM的电容—电压线性度影响不大,处理前后的二次电压系数分别为1260 ppm/V2和1200 ppm/V2。此外,发现二次电压系数与频率的对数呈线性关系,氟化处理使其变化率减小。等离子体氟化后,MIM电容的漏电流密度在2V时减小了约一个数量级,达到1.39×10-8A/cm2。其次,论文研究了HfO2介质的氨气热退火处理对其MIM电容性能的影响,结果揭示了少量的氮元素引入到介质中,降低了电容密度,即从8.16 fF/μm2减小到7.10 fF/μm2。然而,微量的氮掺入对MIM电容的漏电和电压线性度有明显改善,在2V时漏电流从1.18×10-7A/cm2降到3.41×10-8A/cm2,二次电压系数从1430 ppm/V2减小到20分钟氮化后的555 ppm/V2。这说明在NH3中退火能有效地钝化HfO2介质中的缺陷。此外,研究发现在较低的淀积温度(280℃)下生长的HfO2介质中含有少量的氮,这种氮残留增加了MIM的漏电,这表明在低温下生长的含氮HfO2介质中仍然存在较多的氧空位缺陷。但是,上述薄膜在420℃氨气中退火后,其MIM电学性能有明显改善,而在N2气氛中退火则不能,说明在NH3中退火后介质中的缺陷能被有效地钝化,而在N2中则不能发生自钝化。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 文中使用的主要首字母缩写词
  • 第一章 引言
  • 1.1 MIM电容研究的进展
  • 1.1.1 电容器在集成电路中的应用
  • 1.1.2 金属-绝缘体-金属电容的技术要求
  • 1.2 高k介质层材料和淀积方法的选取
  • 1.3 挑战和依然存在的问题
  • 1.4 本文贡献及各章概要
  • 第二章 MIM电容的特性
  • 2.1 MIM电容物理与化学特性的表征
  • 2.1.1 原子力显微镜
  • 2.1.2 X射线光电子能谱(XPS)
  • 2.2 导电机理的研究
  • 第三章 等离子体氟化对MIM电容性能的改善研究
  • 3.1 背景
  • 3.2 实验方法
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 表面形貌的变化
  • 3.3.2 化学组成与结合能研究
  • 3.3.3 电学特性研究
  • 第四章 氨气热处理氮化对MIM电容性能的影响
  • 4.1 背景
  • 4.2 实验方法
  • 4.3 氮化结果与讨论
  • 4.3.1 化学组成与结合能分析
  • 4.3.2 电学特性研究
  • 2介质的影响'>4.4 淀积温度对ALD HfO2介质的影响
  • 第五章 全文总结
  • 参考文献
  • 硕士期间发表的相关论文
  • 致谢
  • 相关论文文献

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