二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究

发布时间：2020-07-28 11:37

【摘要】：随着微电子工业的迅速发展,器件集成化程度的提高使得器件尺寸越来越小,为了避免短沟道效应,传统栅介质SiO_2也越来越薄,造成漏电流的急剧增大,不再满足半导体器件的要求。HfO_2薄膜以其较高的介电常数成为SiO_2的理想替代材料,目前已应用于工业生产领域。HfO_2薄膜铁电性的发现使得其在铁电随机存储器、铁电场效应晶体管中拥有极其良好的应用前景。采用中频磁控溅射在p型(100)硅基片上沉积了HfO_2薄膜,主要研究了Y掺杂浓度、薄膜厚度、沉积温度对薄膜性质的影响。利用X射线光电子能谱(XPS)分析薄膜的Y掺杂浓度及各个元素结合状态;通过X射线反射率(XRR)测量得到HfO_2薄膜厚度和密度;利用掠入射X射线衍射(GIXRD)分析HfO_2薄膜相结构;通过原子力显微镜(AFM)对薄膜样品的表面形貌及粗糙度加以分析;利用Radiant铁电测试仪对HfO_2薄膜基MIS结构电容器的电学性质进行测量,测量包括极化强度(P)-电场强度(E)曲线与漏电流密度(J)-电场强度(E)曲线测试,以确定薄膜电学性质和工艺参数之间的关系。最后,本文基于界面层分压原理,详细讨论了SiO_2界面层对HfO_2薄膜基电容器电学特性的影响。结果如下,利用磁控溅射成功制备出具有高介电常数和铁电性的HfO_2薄膜。对于室温下沉积的薄膜,当Y掺杂浓度逐渐升高,薄膜发生从单斜到立方相的相转变,薄膜的密度先增大后略降低,薄膜粗糙度增大;介电常数随之增大,漏电流降低。随着薄膜厚度的逐渐增大,薄膜的密度逐渐降低,表面变粗糙;薄膜电容器介电常数随厚度增加呈上升趋势,本文基于电介质界面层分压原理,利用TiN/Y:HfO_2/SiO_2/Si电容器串联结构模型解释;另外,在电场强度一定的条件下,薄膜厚度越大,其漏电流密度越高。对于1.21 mol.%Y浓度的HfO_2薄膜,随着沉积温度由室温升高至400?C,薄膜内部发生相转变,HfO_2薄膜样品的沉积速率会降低,密度会大幅度提升,粗糙度降低;对1.21mol.%Y浓度的HfO_2薄膜基MIS结构电容器来说,随着沉积温度从室温上升至400?C,Y:HfO_2薄膜基电容器的电学行为逐渐由顺电性过渡到铁电性。当薄膜沉积温度为400?C时,其电学行为完全为铁电性,并且具有9.13μC/cm~2的剩余极化强度(Pr),并且此条件下沉积的薄膜有最低的漏电流密度。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2772823