本文關(guān)鍵詞：二氧化鉿基納米薄膜的反應(yīng)磁控濺射制備工藝研究以及電容器集成

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【摘要】：集成電路的飛速發(fā)展促使半導(dǎo)體材料和工藝不斷更新?lián)Q代,對(duì)于MOS器件柵極介質(zhì)材料也提出了更高的要求,此時(shí)傳統(tǒng)的Si02柵極氧化層已逐漸不能適應(yīng)工藝需求,高-k氧化物材料成為了這一領(lǐng)域的熱門研究方向。HfO2這一具有優(yōu)良特性且與硅基集成電路有良好兼容性的薄膜材料,目前已經(jīng)成為了最具有發(fā)展前景的新型柵介質(zhì)。在最近的研究中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的HfO2基薄膜中同樣具備鐵電性,且與傳統(tǒng)鐵電材料相比,HfO2基鐵電薄膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與硅基半導(dǎo)體良好的集成度,這一重要發(fā)現(xiàn)將有望突破制約非易失性鐵電存儲(chǔ)器發(fā)展的材料瓶頸。本文創(chuàng)新的采用了純鉿金屬靶的反應(yīng)磁控濺射法來(lái)制備Hf02基薄膜,通過(guò)臺(tái)階儀、傅里葉紅外光譜、掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段確定了工藝參數(shù)對(duì)純HfO2薄膜厚度、成分、表面形貌的影響,為元素的摻雜奠定了基礎(chǔ)。之后使用射頻電源連接純釔金屬靶來(lái)實(shí)現(xiàn)Y摻雜HfO2薄膜的制備,并通過(guò)X射線反射(XRR)、X射線光電子能譜(XPS)、小角掠入射X射線衍射(GIXRD)來(lái)對(duì)薄膜的厚度、成分以及晶體結(jié)構(gòu)做出了表征。為了完成電容器的集成,本文探索了頂電極的制備,首先根據(jù)電學(xué)測(cè)量的方法設(shè)計(jì)了掩膜板,并對(duì)Au、Pt以及TiN三種常用的電極材料的生長(zhǎng)速率與電阻率做出了表征與比較,最后對(duì)集成完畢的薄膜電容器的進(jìn)行了電學(xué)性能的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由射頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)成功在Si襯底上制備出高質(zhì)量均勻的Y摻雜HfO2薄膜,并得出了薄膜在室溫下的生長(zhǎng)速率約為0.6nm/min,通過(guò)對(duì)XPS譜圖準(zhǔn)確的得到Y(jié)元素?fù)诫s量與Y靶功率成正比的關(guān)系,并依靠分峰圖解得出摻雜元素Y的摻雜形態(tài)為Y2O3。經(jīng)過(guò)對(duì)比,最終選擇了工藝穩(wěn)定可控、成膜效率高且電阻率優(yōu)秀的氮化鈦?zhàn)鳛殡娙萜鹘Y(jié)構(gòu)中的頂電極材料。電學(xué)測(cè)試表明初始工藝得到的薄膜介電常數(shù)較小且漏電流不甚理想,經(jīng)過(guò)分析可能出現(xiàn)的原因,提出了降低工作氣壓的工藝改進(jìn)手段,并通過(guò)XRR的分析驗(yàn)證了改進(jìn)后薄膜密度、厚度的改善,最后電學(xué)特性有了很大的提升。
【關(guān)鍵詞】：HfO_2薄膜 鐵電薄膜 磁控濺射
【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】：2015
【分類號(hào)】：TM53;TB383.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-31
• 1.1 HfO_2高-k介電材料及其在微電子工業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)狀10-13
• 1.2 鐵電材料的特性及HfO_2基鐵電薄膜的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用前景13-20
• 1.2.1 鐵電材料的特性13-15
• 1.2.2 HfO_2基鐵電薄膜鐵電性的發(fā)現(xiàn)15
• 1.2.3 HfO_2基鐵電薄膜的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.2.4 HfO_2基鐵電薄膜的應(yīng)用前景19-20
• 1.3 HfO_2薄膜的制備方法20-30
• 1.3.1 原子層沉積法(ALD)21
• 1.3.2 溶膠-凝膠法(Sol-Gel)21-22
• 1.3.3 物理氣相沉積法(PVD)22-30
• 1.3.3.1 濺射法沉積薄膜的原理22-23
• 1.3.3.2 磁控濺射23-24
• 1.3.3.3 射頻反應(yīng)磁控濺射原理24-25
• 1.3.3.4 HfO_2基鐵電薄膜的文獻(xiàn)調(diào)研25-30
• 1.4 本論文的研究目的及內(nèi)容30-31
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分31-44
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器31-36
• 2.1.1 氧化鉿基薄膜樣品沉積儀器介紹31-32
• 2.1.2 TiN電極沉積儀器介紹32-33
• 2.1.3 Au/Pt電極沉積沉積儀器介紹33-34
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)試劑34-36
• 2.1.5 退火儀器介紹36
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法36-37
• 2.2.1 基片清洗36-37
• 2.2.2 電學(xué)性能測(cè)試原理37
• 2.3 HfO_2薄膜性能的表征37-44
• 2.3.1 表面形貌表征37
• 2.3.2 薄膜厚度表征37-38
• 2.3.3 薄膜成分分析38-39
• 2.3.4 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的分析39-40
• 2.3.5 方塊電阻測(cè)試40-43
• 2.3.6 電學(xué)性能測(cè)試43-44
• 第三章 電極的設(shè)計(jì)與性能表征44-55
• 3.1 掩膜版的設(shè)計(jì)44-47
• 3.2 金電極的生長(zhǎng)與性能表征47-50
• 3.3 鉑電極的生長(zhǎng)與性能表征50-51
• 3.4 TiN電極的生長(zhǎng)與性能表征51-54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 第四章 反應(yīng)磁控濺射法制備純HfO_2薄膜55-61
• 4.1 引言55
• 4.2 薄膜沉積速率的確定55-57
• 4.2.1 氬氧比與沉積速率的關(guān)系55-56
• 4.2.2 濺射功率與沉積速率的關(guān)系56-57
• 4.3 氬氧比對(duì)薄膜成分的影響57-58
• 4.4 氬氧比對(duì)薄膜表面質(zhì)量的影響58-60
• 4.5 本章小結(jié)60-61
• 第五章 反應(yīng)磁控濺射制備Y摻雜HfO_2薄膜的性能表征61-66
• 5.1 薄膜樣品的制備61
• 5.2 薄膜成分測(cè)試61-63
• 5.3 薄膜厚度表征63
• 5.4 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的表征63-65
• 5.5 本章小結(jié)65-66
• 第六章 Y摻雜HfO_2薄膜電容器的集成及其電學(xué)性能測(cè)試66-72
• 6.1 Y摻雜HfO_2薄膜電容器的集成66-67
• 6.2 Y摻雜HfO_2薄膜電容器的電學(xué)性能測(cè)量67-69
• 6.3 工藝改進(jìn)及薄膜性能表征69-71
• 6.4 本章小結(jié)71-72
• 第七章 結(jié)論72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況77-78
• 致謝78-79

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 閆丹;吳平;邱宏;俞必強(qiáng);趙云清;張師平;呂反修;;襯底溫度對(duì)射頻磁控濺射制備HfO_2薄膜結(jié)構(gòu)的影響[J];功能材料與器件學(xué)報(bào);2008年05期

2 武開(kāi)業(yè);;掃描電子顯微鏡原理及特點(diǎn)[J];科技信息;2010年29期

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王畢藝;溶膠—凝膠技術(shù)制備ZrO_2/SiO_2多層高反膜的研究[D];電子科技大學(xué);2008年

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本文編號(hào)：639206