【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(lái)越小,為了避免短溝道效應(yīng),傳統(tǒng)柵介質(zhì)SiO_2也越來(lái)越薄,造成漏電流的急劇增大,不再滿(mǎn)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(jī)存儲(chǔ)器、鐵電場(chǎng)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(duì)薄膜性質(zhì)的影響。利用X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)分析薄膜的Y摻雜濃度及各個(gè)元素結(jié)合狀態(tài);通過(guò)X射線(xiàn)反射率(XRR)測(cè)量得到HfO_2薄膜厚度和密度;利用掠入射X射線(xiàn)衍射(GIXRD)分析HfO_2薄膜相結(jié)構(gòu);通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)對(duì)薄膜樣品的表面形貌及粗糙度加以分析;利用Radiant鐵電測(cè)試儀對(duì)HfO_2薄膜基MIS結(jié)構(gòu)電容器的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量包括極化強(qiáng)度(P)-電場(chǎng)強(qiáng)度(E)曲線(xiàn)與漏電流密度(J)-電場(chǎng)強(qiáng)度(E)曲線(xiàn)測(cè)試,以確定薄膜電學(xué)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(xì)討論了SiO_2界面層對(duì)HfO_2薄膜基電容器電學(xué)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(duì)于室溫下沉積的薄膜,當(dāng)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(shì),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(chǎng)強(qiáng)度一定的條件下,薄膜厚度越大,其漏電流密度越高。對(duì)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(huì)降低,密度會(huì)大幅度提升,粗糙度降低;對(duì)1.21mol.%Y濃度的HfO_2薄膜基MIS結(jié)構(gòu)電容器來(lái)說(shuō),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(xué)行為逐漸由順電性過(guò)渡到鐵電性。當(dāng)薄膜沉積溫度為400?C時(shí),其電學(xué)行為完全為鐵電性,并且具有9.13μC/cm~2的剩余極化強(qiáng)度(Pr),并且此條件下沉積的薄膜有最低的漏電流密度。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.2

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本文編號(hào)：2772823