原子层淀积高k材料的光学特性研究

发布时间：2018-05-20 10:19

  本文选题：高K材料 + 原子层淀积技术　； 参考：《西安电子科技大学》2015年博士论文

【摘要】：随着半导体行业的不断发展,集成电路芯片的密度随之增大,晶体管的沟道长度和栅介质的厚度也不断缩小。当传统的二氧化硅栅介质的厚度小于1.4nm时,由隧穿引发的漏电流急剧增大,导致器件的功耗增大到了一个不可接受的水平,需要寻找拥有高介电常数的、物理厚度大的新材料薄膜来取代SiO_2作为栅介质材料。在所有的制备栅薄膜的方法中,原子层淀积技术具有独特的优越性,所制备的薄膜组分一致性非常高。在本文中,主要对原子层淀积技术制备的Nd_2O_3,HfO_2和(HfO_2/Al_2O_3)纳米介质膜的光学特性进行了研究,主要的研究内容如下:1.Nd_2O_3光学特性和工艺相关性研究。首先分析了不同工艺条件下制备的Nd_2O_3介质材料的特性,得到了采用ALD方式制备Nd_2O_3介质膜的优化工艺条件如下:Nd(thd)3气化温度:185oC,生长温度范围:300-320oC,金属前驱体Nd(thd)3的脉冲时间大于0.5s。接着,研究了Nd_2O_3介质膜的光学特性和退火温度的关系。发现材料的折射率指数和高频介电常数都随着退火温度的升高减小,而材料的带隙能值随着退火温度的升高而增大。最后,分析了薄膜淀积后高温退火对Nd氧化物的界面化学态和能带排列的影响。通过研究元素Nd 3d、O 1s和Si 2p的XPS核心结合能谱随退火温度的变化,发现界面的Nd硅酸盐结构随着退火温度的不断升高,逐步由Nd_2SiO5结构向Nd_2Si2O7结构转变。并且,Nd_2O_3介质膜的直接带隙能值随着退火温度的升高逐步增大。同时,计算得到Nd_2O_3介质模和硅衬底之间的价带和导带差都大于1eV。分析结果表明,Nd_2O_3介质膜具有合适的带隙能值,并硅衬底之间具有合适的能带差,可以作为高K材料的应用。2.HfO_2光学特性和厚度及氧化剂的相关性研究。首先,研究了HfO_2薄膜的光学特性和介质材料厚度的关系,分析结果表明,当采用去离子水作为氧化剂时,预淀积膜的介电函数的实部值(ε1)随着淀积周期数的增大而增大,而当淀积周期数增大到一定程度(大于65周期)后,ε1值几乎不再随着淀积周期数变化而变化。同时材料的带隙能值也随着材料膜厚度的增大而减小。而当采用臭氧作为氧化剂时,材料的光学特性并没有随着膜厚的变化而表现出相似的变化趋势。可以看出,氧化剂对于材料的光学特性有着很大的影响。接着,文中以淀积周期数为52的样品为例,深入研究了氧化剂的不同对于介质材料光学特性的影响。分析发现,水基的HfO_2具有较大的ε1值。进一步仔细研究材料的介电函数的虚部(ε2),发现臭氧基的介质材料,除了来自硅衬底的吸收特性峰值外,其在带隙能值内,吸收特性峰最少。此外,臭氧基的HfO_2材料具有较大的高频介电函数、直接和间接带隙能值。值得注意的是,无论是采用臭氧还是去离子水作为氧化剂,所得到的材料和硅衬底之间的价带差和导带差都比较大,这说明,原子层淀积技术淀积HfO_2介质材料时,无论采用水还是臭氧作为氧化剂,其得到的材料都能和硅衬底之间形成足够高的势垒,从而抑制电子和空穴隧穿。3.不同结构HfO_2/Al_2O_3纳米层的光学特性研究。文中分别对三种结构的HfO_2/Al_2O_3纳米介质层进行了分析研究。首先,分析了(HfO_2/Al_2O_3)_x叠栅结构中,HfO_2/Al_2O_3叠层厚度对整体介质膜的影响。分析结果表明介电函数的实部和虚部都随着HfO_2/Al_2O_3叠层厚度的减小而减小。进一步分析发现,材料的光学带隙能值并没有随着HfO_2/Al_2O_3叠层厚度的减小而发生太大的变化。同时,计算所得的材料的相对介电常数也变化不大。接着,分析了当Al_2O_3插入层位于Al_2O_3/HfO_2叠栅中的不同位置时,对叠栅的特性的影响。发现当Al_2O_3插入层位于中间层时,其叠栅的ε1值最大。通过XPS分析材料的价带谱发现,Al_2O_3/HfO_2叠栅和衬底之间的价带差和导带差都大于1eV。最后,研究了在HfO_2中添加Al组分对介质材料光学特性的影响。发现未掺杂的HfO_2介质膜在经过500oC高温退火后就出现了结晶现象。当在介质膜中引入Al组分,Al-HfO_2介质膜可以在700oC高温退火后,依然保持无定形态。特别是,预淀积的[1Al_2O_3+5HfO_2]薄膜,其光学特性预淀积的纯HfO_2相似。而且,在经过退火处理后,其无定型结构中的无序态最少,带隙能值Eg(5.5±0.1eV)的热稳定性也最好。
[Abstract]:The optical properties of Nd _ 2O _ 3 dielectric films prepared by atomic layer deposition have been investigated . In this paper , the influence of the thickness of HfO _ 2 / Al _ 2O _ 3 on the optical properties of HfO _ 2 / Al _ 2O _ 3 has been studied .
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484.41

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 饶瑞中;乔延利;魏合理;王英俭;龚知本;;中国典型地区大气光学特性及其应用[J];大气与环境光学学报;2007年06期

2 张保军;滕敏;;光学透明高分子材料的光学特性及应用[J];湛江师范学院学报;2008年03期

3 邵建达，范正修，，殷功杰，易葵，袁利祥;W／C超薄多层膜的制备及其结构与光学特性分析[J];物理学报;1994年12期

4 徐则川,李义兵;金属-介质多层膜的光学特性[J];华中理工大学学报;1997年01期

5 蔡伟平,张立德;银/二氧化硅介孔复合体的半导体光学特性[J];科学通报;1998年02期

6 朱勇,钱水兔,戴坚舟;蜃景光学特性的数学模拟[J];华东理工大学学报;2000年06期

7 钱惠国;;铬膜分光镜光学特性的研究[J];浙江师范大学学报(自然科学版);2008年02期

8 黄章勇,郑能,杨德伟;磷化镓棱镜耦合器的光学特性[J];中国激光;1983年11期

9 李忠奇,刘成赞,李正芬;红外扫描棱镜镀膜的光学特性[J];红外研究(A辑);1986年05期

10 饶瑞中;黄宏华;黄印博;朱文越;方帅;;大气光学特性对目标成像影响的分析[J];红外与激光工程;2009年03期

相关会议论文 前10条

1 王利光;郭良;王畅;Terence K.S.W.;;碳纳米管(10,0)径向形变的光学特性[A];第十三届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];2008年

2 田贵才;张裕士;;微球腔体的光学特性研究[A];第十四届全国原子与分子物理学术会议论文专辑[C];2007年

3 李云梅;陆皖宁;;湖泊水体光学特性观测与光谱重建[A];中国海洋湖沼学会第九次全国会员代表大会暨学术研讨会论文摘要汇编[C];2007年

4 王朋;江绍基;;微纳薄膜的结构可控生长研究及光学特性分析[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

5 李千红;孟令雁;杨志林;任斌;田中群;;增强拉曼体系表面等离子体光学特性研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年

6 张耀宁;程祖海;李锋;杜泽明;金元俊;;大通光孔径气动窗口光学特性研究[A];湖北省激光学会论文集[C];2000年

7 李铜基;;黄东海春季水光学特性研究[A];第十四届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2003年

8 浦伟;王鑫;;我国春季沙尘与人为气溶胶物理光学特性研究[A];第31届中国气象学会年会S11 第三届城市气象论坛—城市与环境气象[C];2014年

9 郭兆琦;陈卫强;段宣明;;吖内酯纳米晶体的可控制备及结构与光学特性研究[A];中国化学会第26届学术年会纳米化学分会场论文集[C];2008年

10 刘云龙;王文军;高学喜;张丙元;;酞菁铥薄膜的超快光学特性[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

相关博士学位论文 前10条

1 谢煜;PCB光学特性对PCB光电外观检查机性能的影响机理[D];电子科技大学;2014年

2 范小娇;原子层淀积高k材料的光学特性研究[D];西安电子科技大学;2015年

3 张斗国;微纳金属复合结构的光学特性及其应用基础研究[D];中国科学技术大学;2007年

4 陈云云;高温复杂流场光学特性及其诊断研究[D];南京理工大学;2011年

5 邬文俊;蝶翅微纳结构的光学特性及变色机理研究[D];华中科技大学;2012年

6 龚恒翔;多晶氧化锌薄膜的制备和结构、电学、光学特性研究[D];兰州大学;2002年

7 郭美丽;掺杂二氧化钛的电子结构和光学特性的第一性原理研究[D];天津大学;2013年

8 宋银;离子注入/辐照Al_2O_3、SiO_2的光学特性研究[D];兰州大学;2013年

9 李善锋;铒、镱掺杂硼硅酸盐玻璃的光学特性[D];大连理工大学;2006年

10 邹炳锁;量子限域超微粒的合成、表征与光学特性研究[D];吉林大学;1991年

相关硕士学位论文 前10条

1 于洋;氮掺杂氧化锌薄膜的制备及其结构、形貌和光学特性研究[D];北京理工大学;2016年

2 彭明松;地面复杂环境与典型目标光学特性的数字仿真[D];北京理工大学;2016年

3 唐恒敬;含金属阳极氧化铝膜的微结构与光学特性研究[D];曲阜师范大学;2006年

4 郑萌萌;多孔铝纳米阵列的制备及光学特性研究[D];曲阜师范大学;2007年

5 苏万钧;生物组织光学特性的单积分球测量技术[D];福建师范大学;2004年

6 朱丽红;氧化锌/硅纳米孔柱阵列异质结构复合体系的制备及光学特性研究[D];郑州大学;2007年

7 李亚超;纳米硅/氮化硅微结构调整及光学特性研究[D];河北大学;2008年

8 邓健强;溶胶凝胶法二氧化锡薄膜气敏光学特性研究[D];华南理工大学;2010年

9 吴敏珍;介观器件的光学特性[D];烟台大学;2008年

10 张培;Ge/SiO_2薄膜的光学特性和应用研究[D];华侨大学;2011年

本文编号：1914229