HfO2高介电常数栅介质薄膜的制备及其电学性能的研究

论文摘要

伴随着CMOS器件的持续缩小,传统的栅介质材料SiO2由于不可接受的隧穿漏电流和本身可靠性的问题,导致其继续作为栅介质材料的应用达到了物理极限。高介电常数材料由于其能够保持等效氧化层厚度不变的情况下,增加栅介质层的物理厚度,从而大大减小直接隧穿效应和提高栅介质承受电场的强度成为近些年来研究的热点。近些年来,在众多High-K材料中,HfO2以其相对较高的介电常数（k～25）,宽禁带宽度（>5eV）以及与硅之问合适的导带偏移（>1eV）,无论是在基础研究还是产业应用中,一直吸引着人们的眼球。本文采用磁控溅射的方法制备HfO2栅介质薄膜,并且分别采用Pt和TiN作为金属栅电极制备成Pt/HfO2/Si或TiN/HfO2/Si MOS电容器。深入研究了长时间退火与快速退火两种热处理方式以及溅射气氛为不同的氮氩比和氧氩比对HfO2薄膜结构和电学性能的影响。HfO2薄膜在不同温度下长时间退火30min或快速退火60s后,薄膜的电学性能都得到了改善。500℃长时间退火30min后样品保持非晶结构,并且介电常数大,等效氧化层厚度小,漏电流密度小。样品快速退火后都结晶了,导致漏电流密度增大,并且600℃快速退火60s的样品有最大的介电常数。HfO2薄膜500℃退火30min与快速退火60s相比,更好地改善了薄膜中的缺陷,保持了样品的非晶结构,表面粗糙度小,电学性能好。HfO2薄膜相同条件退火后,采用TiN电极比Pt电极电学性能更好。溅射时通入不同的氩气和氮气流量并固定工作气压,HfO2薄膜都为非晶结构,当Ar/N2=15/30sccm时,HfO2薄膜有最大的介电常数16.9和最小的漏电流密度1.6xlO-7A/cm2。溅射时固定氩气流量改变氮气或氧气流量,当Ar/N2或Ar/O2=30/5sccm时,HfO2薄膜电学性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 二氧化硅按比例缩小的限制
• 1.3 高介电常数栅介质材料
• 1.3.1 介电常数与禁带宽度
• 1.3.2 与Si接触的热稳定性
• 1.3.3 与Si的界面质量
• 1.3.4 薄膜型态
• 1.3.5 与栅电极的兼容性
• 2基高K材料的研究现状'>1.4 HfO₂基高K材料的研究现状
• 第2章 实验及相关物理原理
• 2.1 磁控溅射的原理
• 2薄膜的表征方法'>2.2 HfO₂薄膜的表征方法
• 2.3 MOS电容结构C-V测试原理
• 2.4 栅介质层漏电流传导机制
• 2薄膜电学性能的影响'>第3章 退火对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 2薄膜的制备'>3.1 HfO₂薄膜的制备
• 2薄膜电学性能的影响'>3.2 长时间退火对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 3.2.1 薄膜物相结构的表征（XRD）
• 2/Si MOS电容器电学特性'>3.2.2 Pt/HfO₂/Si MOS电容器电学特性
• 3.2.2.1 薄膜的C-V特性
• 3.2.2.2 薄膜的J-V特性
• 2/Si MOS电容器电学特性'>3.2.3 TiN/HfO₂/Si MOS电容器电学特性
• 3.2.3.1 薄膜的C-V特性
• 3.2.3.2 薄膜的J-V特性
• 3.2.4 小结
• 2薄膜电学性能的影响'>3.3 快速退火对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 3.3.1 薄膜物相结构的表征（XRD）
• 2/Si MOS电容器电学特性'>3.3.2 Pt/HfO₂/Si MOS电容器电学特性
• 3.3.2.1 薄膜的C-V特性
• 3.3.2.2 薄膜的J-V特性
• 2/Si MOS电容器电学特性'>3.3.3 TiN/HfO₂/Si MOS电容器电学特性
• 3.3.3.1 薄膜的C-V特性
• 3.3.3.2 薄膜的J-V特性
• 3.3.4 小结
• 3.4 长时间退火与快速退火两种热处理方式的比较
• 3.4.1 薄膜物相结构的表征（XRD）
• 3.4.2 薄膜的截面形貌表征（TEM）
• 3.4.3 薄膜的表面形貌表征（AFM）
• 3.4.4 薄膜的电学特性
• 3.4.4.1 薄膜的C-V特性
• 3.4.4.2 薄膜的J-V特性
• 3.4.4.3 漏电流机制分析
• 3.4.5 小结
• 2薄膜电学性能的影响'>第4章 溅射气氛对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 2薄膜电学性能的影响'>4.1 不同氮氩比对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 4.1.1 固定工作气压
• 4.1.1.1 样品的制备
• 4.1.1.2 薄膜物相结构的表征（XRD）
• 4.1.1.3 薄膜的C-V特性
• 4.1.1.4 薄膜的J-V特性
• 4.1.2 改变氮气比份
• 4.1.2.1 样品的制备
• 4.1.2.2 薄膜的C-V特性
• 4.1.2.3 薄膜的J-V特性
• 2薄膜电学性能的影响'>4.2 不同氧氩比对HfO₂薄膜电学性能的影响
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 薄膜的C-V特性
• 4.2.3 薄膜的J-V特性
• 4.3 小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢