复合铪基高k薄膜的双频等离子体涂覆及机理研究

发布时间：2016-11-18 15:59

  本文关键词：复合铪基高k薄膜的双频等离子体涂覆及机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《苏州大学》 2015年

复合铪基高k薄膜的双频等离子体涂覆及机理研究

张海燕  

【摘要】：以硅基集成电路为核心的微电子工业正遵循着摩尔定律蓬勃发展。国际半导体技术发展规划指出,2015年以后半导体器件将进入22 nm线宽的纳电子器件时代,并将持续缩小特征尺寸。然而器件的沟道尺寸和栅介质厚度等物理尺寸并不能无限缩小。在65 nm线宽工艺制程中,传统栅介质材料Si O2的厚度已经接近原子间距,达到物理极限。受隧穿效应的影响,栅极漏电流开始成为一个不容忽视的问题。采用高k材料代替传统的Si O2则能有效解决上述问题,因为在具有相同等效氧化层厚度的前提下,高k栅介质具有更大的物理厚度来限制隧穿效应的影响,防止漏电流增大和杂质扩散。以Hf O2为代表的铪基高k薄膜因具有相对较高的介电常数、较宽的带隙以及与Si衬底之间较大的导带偏移(1.5 e V),成为目前备受关注、最具应用前景的新型栅介质材料之一。但是,铪基高k材料作为目前MOS工艺中新型栅介质材料应用时,仍具有一定的不足之处,如Hf O2在制备过程中易形成氧空位等本征缺陷、与Si衬底之间易形成界面层以及与金属电极接触会形成费米能级的钉扎等。如何优化铪基高k材料的质量和提高铪基栅介质的性能,成为国内外广泛关注的课题。本文针对铪基高k材料的不足之处,通过优化沉积条件制备了质量较高的复合铪基高k薄膜,并通过热处理和低温等离子体处理改善了薄膜性能,开展了一系列的研究工作。(1)采用三种频率(2 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz)的射频源驱动的磁控溅射技术制备Hf O2薄膜,研究工艺条件对薄膜结构和性能的影响。结果表明,13.56MHz射频源驱动的磁控溅射技术具有较高的薄膜沉积速率,制备的薄膜表面平整均匀,是比较适合的高k材料的制备方式。Hf O2薄膜表面的润湿性可以通过溅射频率和溅射功率进行调制。采用27.12MHz射频源驱动的磁控溅射技术在功率为180W条件下制备的Hf O2薄膜表面水接触角达到91.5o,表现为疏水表面。射频放电等离子体的离子能量影响所制备Hf O2薄膜的光学性能。(2)溅射制备的Hf O2薄膜在高频准静态正反向C-V测量中表现出较大的电滞回线。随着测试频率的改变,C-V曲线呈现严重的频散效应。这些结果表明制备的Hf O2薄膜的电学性能有待提高。双频容性耦合等离子体(DF-CCP)的等离子体密度和离子能量可以分别通过高频和低频功率调控。采用C4F8 DF-CCP对Hf O2薄膜表面进行改性处理以提高薄膜的电学性能。F原子在等离子体处理过程中被引入Hf O2薄膜中。通过优化高频功率并结合热退火后处理工艺,获得稳定的四方相结构;通过优化低频功率可以抑制表面CF层的生长。F的引入钝化了薄膜缺陷,Hf-F键的形成降低了界面态密度,因此薄膜的电学性能得到了极大地提高。为了抑制CF沉积,在放电源气体中添加O2,结果表明薄膜k值增加,电学性能进一步提高。(3)为了在Si衬底上制备高质量的铪基高k薄膜,采用N2 DF-CCP等离子体对Si基片进行预处理。结果表明等离子体基片预处理,有效地减少了退火过程中Si元素的扩散,抑制了界面Hf Si O的形成,提高了界面质量。稀土元素Gd被掺入Hf O2薄膜中以制备复合铪基高k材料。与Hf O2相比,Hf Gd O薄膜具有高的k值,这是因为Gd元素的引入使得薄膜在退火后呈现稳定的立方相结构。在等离子体预处理的基片上沉积的Hf Gd O薄膜具有最高的介电常数和最小的回滞电压偏移,呈现优良的电学性能。(4)为了实现复合薄膜中掺杂元素含量的精确调控,尝试双射频源驱动的磁控溅射技术制备复合Hf Er O薄膜。结果表明,采用13.56MHz/27.12MHz双频溅射制备Hf Er O薄膜时,薄膜厚度和Er元素的掺杂量随27.12MHz射频源功率呈现线性增加趋势。通过功率优化,可以制备具有较高的折射率和较宽禁带的Hf Er O薄膜。而采用13.56MHz/2MHz双频溅射时,由于放电等离子体中形成高能量离子,薄膜生长在离子轰击作用下被抑制。因此,采用双频驱动的磁控溅射技术制备复合高k材料时,射频源频率组合的选择仍需要综合考虑。(5)实验工作表明F掺杂Hf O2有效地钝化了薄膜缺陷,提高了薄膜电学性能,然而F钝化氧空位的内在机理仍需进一步研究。我们从第一性原理出发,应用成熟的材料模块CASTEP,讨论氧空位存在和F钝化氧空位对单斜相Hf O2态密度的影响。结果表明,氧空位会在Hf O2的禁带中引入间隙态。F原子填补氧空位后,F原子的2P轨道和Hf原子的5d轨道杂化,把间隙态推到了Hf O2的导带上,从而完全钝化了氧空位。

【关键词】：
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TN405
【目录】：

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1 李驰平;王波;宋雪梅;严辉;;新一代栅介质材料——高K材料[J];材料导报;2006年02期

2 黄宏伟;叶超;徐轶君;袁圆;施国峰;宁兆元;;Effect of Low-frequency Power on F, CF_2 Relative Density and F/CF_2 Ratio in Fluorocarbon Dual-Frequency Plasmas[J];Plasma Science and Technology;2010年05期

3 虞一青;辛煜;陆文琪;宁兆元;;Abnormal Enhancement of N_2~+ Emission Induced by Lower Frequency in N_2 Dual-Frequency Capacitively Coupled Plasmas[J];Plasma Science and Technology;2012年03期

4 谈国强;贺中亮;刘剑;博海洋;宋亚玉;娄晶晶;李锋娟;;二氧化铪(HfO_2)薄膜制备的研究进展[J];陶瓷;2009年02期

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4 马永强;武一宾;杨瑞霞;李若凡;商耀辉;牛晨亮;卜夏正;王建峰;;X射线在超晶格材料衍射中的相干性分析[J];半导体技术;2007年12期

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8 文博;周建军;江若琏;谢自力;陈敦军;姬小利;韩平;张荣;郑有炓;;InGaN太阳电池转换效率的理论计算[J];半导体学报;2007年09期

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2 陈英;刘炳宏;;静电探针在羊毛织物LTP整理中应用[A];铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2009年

3 张通;饶保林;;多胶云母带粘合剂导热性的研究[A];2007年全国绝缘材料与绝缘技术专题研讨会论文集[C];2007年

4 马桂秋;刘湘宁;盛京;;聚合物CO_2等离子体表面修饰及聚丙烯／聚苯乙烯合金化研究[A];2006年全国高分子材料科学与工程研讨会论文集[C];2006年

5 姚红冉;李明;吕少波;张海明;蔺增;巴德纯;;直流辉光放电等离子体鞘层流体动力学模拟[A];真空冶金与表面工程——第八届真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2007年

6 袁永刚;刘大福;邱惠国;李向阳;;128×128元氮化镓紫外焦平面读出电路的设计与封装研究[A];2007年红外探测器及其在系统中的应用学术交流会论文集[C];2007年

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3 王春莹;聚酯低温等离子体表面改性及喷墨印花应用性能研究[D];江南大学;2011年

4 邹彧;硫族化合物半导体纳米晶的制备及其光伏应用[D];浙江大学;2011年

5 高旭;简单氧化物薄膜阻变存储特性研究[D];南京大学;2011年

6 季梅;氧化钆掺杂对氧化铪高K栅介质氧空位抑制作用及电学性能研究[D];北京有色金属研究总院;2010年

7 张彩珍;太阳能级硅（SOG-Si）光伏电池中多孔硅吸杂工艺及其神经网络分析方法研究[D];兰州大学;2011年

8 刘媛;冷等离子体脱除分子筛模板剂研究[D];天津大学;2010年

9 韩宪越;新型CaB_4晶体的生长与物理性质研究[D];燕山大学;2011年

10 孙琳;亚波长金属结构在太赫兹波段的特性和应用研究[D];国防科学技术大学;2011年

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1 毛晓靖;电流体动力学（EHD）空气泵的多物理场建模与数值仿真[D];浙江理工大学;2010年

2 郭艳花;DBD等离子体导电特性研究[D];郑州大学;2010年

3 范娅玲;闪存低温失效分析及不良筛选[D];苏州大学;2010年

4 宋富佳;等离子体在涂料染色中的应用研究[D];北京服装学院;2010年

5 周金廷;基于Minitab磷扩结深一致性和均匀性数据分析及优化[D];电子科技大学;2010年

6 万同青;微波等离子体炬离子化源的构建及其应用基础研究[D];浙江大学;2011年

7 陈健;基于苯并双噻吩和芳香酰亚胺共轭聚合物的合成与性能[D];浙江大学;2010年

8 欧阳鹏根;大直径单晶炉Cusp磁场设计与研究[D];浙江大学;2011年

9 陈亏;改性处理对玻纤/ePTFE覆膜滤料热压复合性能的影响[D];东华大学;2011年

10 南建举;对位芳纶纤维增强复合带的制备与性能研究[D];东华大学;2011年

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1 赵毅;高K栅介质研究进展[J];半导体技术;2004年05期

2 陶凯;俞跃辉;郑智宏;邹世昌;;离子束增强沉积法制备二氧化铪薄膜[J];半导体技术;2006年03期

3 蔡苇;符春林;陈刚;;高k栅介质材料的研究进展[J];半导体技术;2007年02期

4 薛原;徐赛生;董琳;丁士进;张卫;;高介电常数HfO_2栅介质的制备及性能[J];半导体技术;2009年02期

5 徐文彬;王德苗;;TiO_2/SiO_2和TiO_2/SiO_xN_y层叠结构高k栅介质比较研究[J];半导体技术;2010年02期

6 翁寿松;高k绝缘层研究动态[J];微纳电子技术;2005年05期

7 杨红,康晋锋,韩德栋,任驰,夏志良,刘晓彦,韩汝琦;Al_2O_3高k栅介质的可靠性[J];半导体学报;2003年09期

8 王成刚,韩德栋,杨红,刘晓彦,王玮,王漪,康晋锋,韩汝琦;HfO_2高k栅介质漏电流机制和SILC效应[J];半导体学报;2004年07期

9 蒋然;张燕;;Observation of ferromagnetism in highly oxygen-deficient HfO_2 films[J];半导体学报;2009年10期

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3 马平;胡建平;唐明;邱服民;王震;于杰;;高功率激光薄膜及相关检测技术[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

4 魏玉卿;尚仰宏;;空间薄膜结构张拉系统优化设计[A];中国电子学会电子机械工程分会2009年机械电子学学术会议论文集[C];2009年

5 刘锦华;姚冰;郝万立;;温度条件对锆钒薄膜结构的影响[A];第十届中国核靶技术学术交流会摘要集[C];2009年

6 肖青平;杨斌;吴萍;郝建钢;;辐照对碳氮薄膜结构和硬度的影响[A];第四届中国核学会省市区“三核”论坛论文集[C];2007年

7 王晓姹;李志青;吴萍;姜恩永;白海力;;退火对于碳氮薄膜结构的影响[A];TFC'05全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2005年

8 张阳;陈光华;马国斌;严辉;;织构C_(60)薄膜的生长研究[A];1996年中国青年学者物理学讨论会——薄膜材料与物理论文集[C];1996年

9 蔺增;巴德纯;;种植体表面碳基薄膜的制备及生物摩擦学性能研究[A];第十一届全国摩擦学大会论文集[C];2013年

10 徐东;吕霞;戚震中;蔡柄初;;铁基巨磁阻抗薄膜的研究[A];华东三省一市第三届真空学术交流会论文集[C];2000年

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8 张宏超;薄膜结构的找形方法和力学特性研究[D];西南交通大学;2003年

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本文编号：180970