發(fā)布時間：2020-07-28 11:37

【摘要】：隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展,器件集成化程度的提高使得器件尺寸越來越小,為了避免短溝道效應(yīng),傳統(tǒng)柵介質(zhì)SiO_2也越來越薄,造成漏電流的急劇增大,不再滿足半導(dǎo)體器件的要求。HfO_2薄膜以其較高的介電常數(shù)成為SiO_2的理想替代材料,目前已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。HfO_2薄膜鐵電性的發(fā)現(xiàn)使得其在鐵電隨機存儲器、鐵電場效應(yīng)晶體管中擁有極其良好的應(yīng)用前景。采用中頻磁控濺射在p型(100)硅基片上沉積了HfO_2薄膜,主要研究了Y摻雜濃度、薄膜厚度、沉積溫度對薄膜性質(zhì)的影響。利用X射線光電子能譜(XPS)分析薄膜的Y摻雜濃度及各個元素結(jié)合狀態(tài);通過X射線反射率(XRR)測量得到HfO_2薄膜厚度和密度;利用掠入射X射線衍射(GIXRD)分析HfO_2薄膜相結(jié)構(gòu);通過原子力顯微鏡(AFM)對薄膜樣品的表面形貌及粗糙度加以分析;利用Radiant鐵電測試儀對HfO_2薄膜基MIS結(jié)構(gòu)電容器的電學性質(zhì)進行測量,測量包括極化強度(P)-電場強度(E)曲線與漏電流密度(J)-電場強度(E)曲線測試,以確定薄膜電學性質(zhì)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。最后,本文基于界面層分壓原理,詳細討論了SiO_2界面層對HfO_2薄膜基電容器電學特性的影響。結(jié)果如下,利用磁控濺射成功制備出具有高介電常數(shù)和鐵電性的HfO_2薄膜。對于室溫下沉積的薄膜,當Y摻雜濃度逐漸升高,薄膜發(fā)生從單斜到立方相的相轉(zhuǎn)變,薄膜的密度先增大后略降低,薄膜粗糙度增大;介電常數(shù)隨之增大,漏電流降低。隨著薄膜厚度的逐漸增大,薄膜的密度逐漸降低,表面變粗糙;薄膜電容器介電常數(shù)隨厚度增加呈上升趨勢,本文基于電介質(zhì)界面層分壓原理,利用TiN/Y:HfO_2/SiO_2/Si電容器串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型解釋;另外,在電場強度一定的條件下,薄膜厚度越大,其漏電流密度越高。對于1.21 mol.%Y濃度的HfO_2薄膜,隨著沉積溫度由室溫升高至400?C,薄膜內(nèi)部發(fā)生相轉(zhuǎn)變,HfO_2薄膜樣品的沉積速率會降低,密度會大幅度提升,粗糙度降低;對1.21mol.%Y濃度的HfO_2薄膜基MIS結(jié)構(gòu)電容器來說,隨著沉積溫度從室溫上升至400?C,Y:HfO_2薄膜基電容器的電學行為逐漸由順電性過渡到鐵電性。當薄膜沉積溫度為400?C時,其電學行為完全為鐵電性,并且具有9.13μC/cm~2的剩余極化強度(Pr),并且此條件下沉積的薄膜有最低的漏電流密度。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2

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