高k-ZrO2基薄膜生长行为及其稳定性的研究

论文摘要

利用高k介电薄膜材料替代传统的SiO2栅介质层是满足发展亚0.1μm以下尺寸的超大规模集成电路的要求,是目前微电子领域的研究热点之一。ZrO2薄膜因其具有合适的介电常数、较大的禁带宽度及与Si的导带和价带存在较大的偏置,被认为是最有希望的替代SiO2的高k介电材料之一。为了满足超大规模集成电路对栅介质层的苛刻要求,尚需要改善非晶ZrO2薄膜的热学稳定性、薄膜与Si基体之间的界面热学稳定性以及表面粗糙度、薄膜均匀性等众多问题。 本论文利用反应射频磁控溅射薄膜制备技术,围绕“高k-ZrO2基薄膜生长行为及其稳定性研究”这一课题,利用原子力显微镜、透射电子显微镜、变角光谱椭偏仪、透射光谱仪、电子能量色散谱和C-V、I-V测量系统等分析技术和表征方法,系统研究了沉积参数、退火处理对高k-ZrO2基薄膜的表面形貌、微观结构、界面状态以及电学性能的影响,取得的主要研究结果如下: 1.氧分压对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明:随着氧分压的增加,ZrO2薄膜微结构演化过程是a-ZrO2（非晶）→a-ZrO2+少量m-ZrO2（单斜）→m-ZrO2+t-ZrO2（四方）→m-ZrO2。氧分压增加所引起的Zr沉积速率的下降是导致薄膜相结构转变的重要原因。氧分压对ZrO2薄膜与基体的界面厚度的影响存在一个临界值。当氧分压小于临界值时,膜基界面厚度不受氧分压变化的影响;当氧分压大于临界值时,膜基界面厚度随氧分压的增加而增加;氧分压对膜基界面的影响机制与薄膜的结晶状态有关。物理特性分析表明:薄膜的结晶状态影响着ZrO2薄膜的介电性能。在氧分压为15%时,获得了综合性能良好的非晶态ZrO2介电薄膜,薄膜的相对介电常数达25、薄膜具有较大的禁带宽度、较低的漏电流、表面平整、良好的界面稳定性。低氧分压下沉积的ZrO2薄膜的主要漏电流输运机制为Schottky发射。 2.沉积温度对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明:沉积温度低于250℃时,ZrO2薄膜的结构完全呈非晶态,但250℃沉积的薄膜的致密度比较高;随着沉积温度升高至450℃,薄膜出现了明显的结晶现象,主要为单斜ZrO2相,在晶粒堆砌间隙有非晶ZrO2相存在;沉积温度为550℃时,ZrO2薄膜完全晶化,主要为单斜ZrO2相,在晶粒堆砌间隙有四方ZrO2相存在。在室温至550℃的沉积温度范围内,ZrO2薄膜的生长机制有所不同;室温下,以无表面扩散和近邻原子取向择优生长为主;

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电介质及其极化的微观机理
• 1.3 高k栅介质材料研究背景
• 1.3.1 金属-氧化物-半导体场效应晶体管的工作原理
• 2栅介质减薄所带来的问题'>1.3.2 SiO₂栅介质减薄所带来的问题
• 2栅介质性能的改进——氮氧硅栅介质'>1.3.3 SiO₂栅介质性能的改进——氮氧硅栅介质
• 1.3.4 高k栅介质材料
• 1.4 高k栅介质材料研究现状
• 1.4.1 ⅢA（Al）和ⅢB（Y、La、Gd）金属氧化物
• 1.4.2 VB（Ta）金属氧化物
• 1.4.3 VIB（Ti、Zr、Hf）金属氧化物
• 2基高k栅介质材料'>1.5 ZrO₂基高k栅介质材料
• 2薄膜的结构、特性和应用前景'>1.5.1 ZrO₂薄膜的结构、特性和应用前景
• 2基高k栅介质薄膜的研究现状'>1.5.2 ZrO₂基高k栅介质薄膜的研究现状
• 2基栅介质薄膜制备技术概述'>1.6 ZrO₂基栅介质薄膜制备技术概述
• 1.6.1 化学气相沉积（CVD）
• 1.6.2 物理气相沉积（PVD）
• 1.7 本论文研究目的及主要内容
• 2介电薄膜的制备、表征及其工艺探索'>2 ZrO₂介电薄膜的制备、表征及其工艺探索
• 2.1 引言
• 2薄膜'>2.2 反应射频磁控溅射技术制备ZrO₂薄膜
• 2.2.1 反应溅射法及其基本原理
• 2.2.2 薄膜沉积系统
• 2.2.3 衬底的清洗
• 2.3 薄膜的表征方法
• 2薄膜的厚度'>2.3.1 变角光谱椭偏仪测量ZrO₂薄膜的厚度
• 2薄膜透射光谱的数据分析'>2.3.2 ZrO₂薄膜透射光谱的数据分析
• 2薄膜的微结构表征'>2.3.3 ZrO₂薄膜的微结构表征
• 2薄膜的表面形貌表征'>2.3.4 ZrO₂薄膜的表面形貌表征
• 2薄膜的电学性能测试'>2.3.5 ZrO₂薄膜的电学性能测试
• 2.4 放电条件对射频磁控溅射成膜空间中等离子体成分的影响
• 2.4.1 光谱分析基本原理及实验装置
• 2.4.2 原子发射光谱谱线标定及谱线强度分析
• 2.4.3 放电条件对各元素谱线强度影响
• 2.5 本章小结
• 2薄膜生长特性及其性能的研究'>3 ZrO₂薄膜生长特性及其性能的研究
• 3.1 引言
• 2薄膜的制备工艺'>3.2 ZrO₂薄膜的制备工艺
• 2薄膜生长特性的研究'>3.3 ZrO₂薄膜生长特性的研究
• 2薄膜表面形貌的影响'>3.3.1 氧分压对ZrO₂薄膜表面形貌的影响
• 2薄膜微观结构的影响'>3.3.2 氧分压对ZrO₂薄膜微观结构的影响
• 2薄膜界面稳定性的影响'>3.3.3 氧分压对ZrO₂薄膜界面稳定性的影响
• 2薄膜的物理特性'>3.4 ZrO₂薄膜的物理特性
• 2薄膜动态介电系数和光学禁带宽度的影响'>3.4.1 氧分压对ZrO₂薄膜动态介电系数和光学禁带宽度的影响
• 2薄膜C-V特性的影响'>3.4.2 氧分压对ZrO₂薄膜C-V特性的影响
• 2薄膜I-V特性及其漏电流输运机制分析'>3.4.3 ZrO₂薄膜I-V特性及其漏电流输运机制分析
• 3.5 本章小结
• 2薄膜生长行为及ZrO₂/Si界面稳定性影响的研究'>4 温度对ZrO₂薄膜生长行为及ZrO₂/Si界面稳定性影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 2薄膜生长行为的影响'>4.3 沉积温度对ZrO₂薄膜生长行为的影响
• 2薄膜微结构的影响'>4.3.1 沉积温度对ZrO₂薄膜微结构的影响
• 2薄膜表面形貌的影响及其演化动力学生长行为'>4.3.2 沉积温度对ZrO₂薄膜表面形貌的影响及其演化动力学生长行为
• 2薄膜光学常数的影响'>4.3.3 沉积温度对ZrO₂薄膜光学常数的影响
• 2薄膜的界面稳定性研究'>4.4 ZrO₂薄膜的界面稳定性研究
• 2薄膜表面形貌的影响'>4.4.1 退火对ZrO₂薄膜表面形貌的影响
• 2薄膜／Si衬底界面层的XTEM分析'>4.4.2 ZrO₂薄膜／Si衬底界面层的XTEM分析
• 2／Si界面层的SE分析'>4.4.3 ZrO₂／Si界面层的SE分析
• 2薄膜／Si衬底界面反应微观机制'>4.4.4 ZrO₂薄膜／Si衬底界面反应微观机制
• 2O₃扩散阻挡层对界面层稳定性的作用'>4.5 Al₂O₃扩散阻挡层对界面层稳定性的作用
• 2O₃扩散阻挡层的ZrO₂薄膜的XTEM分析'>4.5.1 含Al₂O₃扩散阻挡层的ZrO₂薄膜的XTEM分析
• 2O₃扩散阻挡层的ZrO₂薄膜表面形貌及标度分析'>4.5.2 含Al₂O₃扩散阻挡层的ZrO₂薄膜表面形貌及标度分析
• 4.6 本章小结
• 2基多组元介电薄膜的微观结构及其热稳定性'>5 ZrO₂基多组元介电薄膜的微观结构及其热稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 Zr-Al-O三元系介电薄膜的微结构及其稳定性
• xO_Y）薄膜的制备及其表征'>5.2.1 Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_Y）薄膜的制备及其表征
• xO_y）薄膜的成份'>5.2.2 Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_y）薄膜的成份
• xO_y）薄膜的微结构'>5.2.3 Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_y）薄膜的微结构
• xO_y）薄膜的热学稳定性'>5.2.4 Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_y）薄膜的热学稳定性
• xO_y）薄膜的光学性能'>5.2.5 不同含量Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_y）薄膜的光学性能
• xO_y）超薄薄膜的界面稳定性及漏电特性'>5.2.6 Al掺杂氧化锆（ZrAl_xO_y）超薄薄膜的界面稳定性及漏电特性
• 2基四元系薄膜'>5.3 Al、Ti共掺杂ZrO₂基四元系薄膜
• 2基四元系薄膜的制备及表征'>5.3.1 Al、Ti共掺杂ZrO₂基四元系薄膜的制备及表征
• 2基四元系薄膜的成分分析'>5.3.2 Al、Ti共掺杂ZrO₂基四元系薄膜的成分分析
• 2基四元系薄膜的微结构'>5.3.3 Al、Ti共掺杂ZrO₂基四元系薄膜的微结构
• 2基四元系薄膜的热学稳定性'>5.3.4 Al、Ti共掺杂ZrO₂基四元系薄膜的热学稳定性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书