氧化锆和氧化铪高介电常数薄膜的制备及性能研究

发布时间：2020-05-28 01:05

【摘要】：随着超大规模集成电路产业的发展,对半导体材料的性质及其制备工艺提出了更高的要求。集成电路技术伴随着单个电子器件尺寸的缩小在不断的发展,而栅介质层的厚度是影响电子器件尺寸的决定性因素之一。集成电路电子行业普遍使用SiO_2作为电子器件的栅介质材料,但随着器件特征尺寸的减小,传统SiO_2栅极介质材料厚度已经接近材料的物理厚度,进而导致器件的功耗大幅增加,难以满足微电子行业器件稳定性要求。寻找高介电常数材料(高K材料)替代传统SiO_2栅极介质层,通过增加介质层的物理厚度而降低隧穿效应,是提高电子器件稳定性的有效技术手段。ZrO_2和HfO_2薄膜具有适中的介电常数(K~25),且具有与传统硅基集成电路工艺相兼容的优良特性,被看作是最有发展前景的两种新型栅介质材料。试验采用射频磁控溅射技术,分别以高纯度(4N级)氧化锆和氧化铪溅射靶材为原料,在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备了ZrO_2及HfO_2栅介质薄膜。研究了溅射功率对栅介质薄膜沉积速率和厚度的影响,通过原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)等设备对栅介质薄膜的表面粗糙度、形貌及结构进行了分析和表征。在此基础上,设计并制备了Si-ZrO_2-Pd和Si-HfO_2-Pd电容器,采用阻抗分析仪(IA)测试了电容器的J-V特性和C-V特性,以表征栅介质薄膜的电学性能。研究取得的主要结果如下:通过射频反应磁控溅射系统在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备出了ZrO_2栅介质薄膜。随着溅射功率的增加,ZrO_2栅介质薄膜的RMS值和厚度逐渐增大,当溅射功率达到90 W时,可获得厚度为152 nm、均匀的高质量ZrO_2栅介质薄膜,薄膜的RMS值为0.968。ZrO_2栅介质薄膜的沉积速率随溅射功率的增加明显提高,从60 W时的1.36 nm/min上升至90 W时的3.04 nm/min。溅射功率选取在60 W~90 W范围内时,ZrO_2栅介质薄膜的结晶状态未发生明显改变,薄膜以非晶态氧化物形式存在,并表现出了优异的非晶态稳定性;薄膜的漏电流伴随着溅射功率的增加而降低,薄膜的介电常数K值在23.2~24.6之间。综合比较,当溅射功率为80 W时,可以获得沉积速率高、表面平整、无结晶现象且电学性能良好的ZrO_2栅介质薄膜,薄膜的K值达到了24.5,漏电流为3.6×10~(-3) A·cm~(-2)。通过射频反应磁控溅射系统在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备出了均匀的高质量HfO_2栅介质薄膜。HfO_2栅介质薄膜的RMS值、厚度和沉积速率均随着溅射功率的增加而逐渐增大。在溅射功率为90W时,可获得厚度为252 nm的HfO_2栅介质薄膜,薄膜的RMS值为0.699,沉积速率达到5.04 nm/min。相同工艺条件下,HfO_2栅介质薄膜的沉积速率和厚度高于ZrO_2栅介质薄膜,但两种薄膜的RMS值相近。溅射功率选取在60 W~90 W范围内时,HfO_2栅介质薄膜以非晶态氧化物形式存在,并表现出了优异的非晶态稳定性。薄膜的漏电流伴随着溅射功率的增加而降低,薄膜的介电常数K值在23.3~24.7之间。综合比较,当溅射功率为80 W时,可以获得沉积速率高、表面平整、无结晶现象且电学性能良好的HfO_2栅介质薄膜,薄膜的K值达到了24.7,漏电流为3.31×10~(-5) A·cm~(-2)。本试验制备得到的ZrO_2与HfO_2栅介质薄膜的介电常数均在25左右,显著高于传统栅介质材料SiO_2的介电常数(大约在3.9左右),且漏电流已达到应用要求。相比于ZrO_2栅介质薄膜,HfO_2栅介质薄膜具有更低的RMS值、栅极漏电流以及更高的沉积速率。试验的研究结果为未来选择ZrO_2与HfO_2材料作为栅介质薄膜提供了依据。
【图文】：

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内蒙古工业大学硕士学位论文的是微电子器件按照 Moore 定律发展的示意图。集成电标都在于提高电路集成度，而提高其集成度的途径最有征尺寸[5, 6]。在半导体工业中，一直有一个定律，该定英特尔公司的创始人 Gordon Moore 在 1965 年所发表晶体管数量，在大概每 18 个月都会翻一番，并且特征路对于芯片的需求同样也会以该速度增加[7]，如图 1-1，，几十年被印证有效。

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处理器与美分硬币体积对比图 (由左至右分别是骁龙 820、骁龙Fig. 1-2 Comparison of modern processor and pennies volume the left to the right, the 820 and the 835 processor of the Valon, resp图 1-3 单个高 K 金属栅极三极管图Fig. 1-3 Single high K metal gate triode image 简述
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

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