本文關(guān)鍵詞：復(fù)合鉿基高k薄膜的雙頻等離子體涂覆及機(jī)理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《蘇州大學(xué)》 2015年

復(fù)合鉿基高k薄膜的雙頻等離子體涂覆及機(jī)理研究

張海燕  

【摘要】：以硅基集成電路為核心的微電子工業(yè)正遵循著摩爾定律蓬勃發(fā)展。國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出,2015年以后半導(dǎo)體器件將進(jìn)入22 nm線寬的納電子器件時(shí)代,并將持續(xù)縮小特征尺寸。然而器件的溝道尺寸和柵介質(zhì)厚度等物理尺寸并不能無限縮小。在65 nm線寬工藝制程中,傳統(tǒng)柵介質(zhì)材料Si O2的厚度已經(jīng)接近原子間距,達(dá)到物理極限。受隧穿效應(yīng)的影響,柵極漏電流開始成為一個(gè)不容忽視的問題。采用高k材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si O2則能有效解決上述問題,因?yàn)樵诰哂邢嗤刃а趸瘜雍穸鹊那疤嵯?高k柵介質(zhì)具有更大的物理厚度來限制隧穿效應(yīng)的影響,防止漏電流增大和雜質(zhì)擴(kuò)散。以Hf O2為代表的鉿基高k薄膜因具有相對(duì)較高的介電常數(shù)、較寬的帶隙以及與Si襯底之間較大的導(dǎo)帶偏移(1.5 e V),成為目前備受關(guān)注、最具應(yīng)用前景的新型柵介質(zhì)材料之一。但是,鉿基高k材料作為目前MOS工藝中新型柵介質(zhì)材料應(yīng)用時(shí),仍具有一定的不足之處,如Hf O2在制備過程中易形成氧空位等本征缺陷、與Si襯底之間易形成界面層以及與金屬電極接觸會(huì)形成費(fèi)米能級(jí)的釘扎等。如何優(yōu)化鉿基高k材料的質(zhì)量和提高鉿基柵介質(zhì)的性能,成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文針對(duì)鉿基高k材料的不足之處,通過優(yōu)化沉積條件制備了質(zhì)量較高的復(fù)合鉿基高k薄膜,并通過熱處理和低溫等離子體處理改善了薄膜性能,開展了一系列的研究工作。(1)采用三種頻率(2 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz)的射頻源驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)制備Hf O2薄膜,研究工藝條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明,13.56MHz射頻源驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)具有較高的薄膜沉積速率,制備的薄膜表面平整均勻,是比較適合的高k材料的制備方式。Hf O2薄膜表面的潤濕性可以通過濺射頻率和濺射功率進(jìn)行調(diào)制。采用27.12MHz射頻源驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)在功率為180W條件下制備的Hf O2薄膜表面水接觸角達(dá)到91.5o,表現(xiàn)為疏水表面。射頻放電等離子體的離子能量影響所制備Hf O2薄膜的光學(xué)性能。(2)濺射制備的Hf O2薄膜在高頻準(zhǔn)靜態(tài)正反向C-V測(cè)量中表現(xiàn)出較大的電滯回線。隨著測(cè)試頻率的改變,C-V曲線呈現(xiàn)嚴(yán)重的頻散效應(yīng)。這些結(jié)果表明制備的Hf O2薄膜的電學(xué)性能有待提高。雙頻容性耦合等離子體(DF-CCP)的等離子體密度和離子能量可以分別通過高頻和低頻功率調(diào)控。采用C4F8 DF-CCP對(duì)Hf O2薄膜表面進(jìn)行改性處理以提高薄膜的電學(xué)性能。F原子在等離子體處理過程中被引入Hf O2薄膜中。通過優(yōu)化高頻功率并結(jié)合熱退火后處理工藝,獲得穩(wěn)定的四方相結(jié)構(gòu);通過優(yōu)化低頻功率可以抑制表面CF層的生長。F的引入鈍化了薄膜缺陷,Hf-F鍵的形成降低了界面態(tài)密度,因此薄膜的電學(xué)性能得到了極大地提高。為了抑制CF沉積,在放電源氣體中添加O2,結(jié)果表明薄膜k值增加,電學(xué)性能進(jìn)一步提高。(3)為了在Si襯底上制備高質(zhì)量的鉿基高k薄膜,采用N2 DF-CCP等離子體對(duì)Si基片進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)果表明等離子體基片預(yù)處理,有效地減少了退火過程中Si元素的擴(kuò)散,抑制了界面Hf Si O的形成,提高了界面質(zhì)量。稀土元素Gd被摻入Hf O2薄膜中以制備復(fù)合鉿基高k材料。與Hf O2相比,Hf Gd O薄膜具有高的k值,這是因?yàn)镚d元素的引入使得薄膜在退火后呈現(xiàn)穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。在等離子體預(yù)處理的基片上沉積的Hf Gd O薄膜具有最高的介電常數(shù)和最小的回滯電壓偏移,呈現(xiàn)優(yōu)良的電學(xué)性能。(4)為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合薄膜中摻雜元素含量的精確調(diào)控,嘗試雙射頻源驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)制備復(fù)合Hf Er O薄膜。結(jié)果表明,采用13.56MHz/27.12MHz雙頻濺射制備Hf Er O薄膜時(shí),薄膜厚度和Er元素的摻雜量隨27.12MHz射頻源功率呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。通過功率優(yōu)化,可以制備具有較高的折射率和較寬禁帶的Hf Er O薄膜。而采用13.56MHz/2MHz雙頻濺射時(shí),由于放電等離子體中形成高能量離子,薄膜生長在離子轟擊作用下被抑制。因此,采用雙頻驅(qū)動(dòng)的磁控濺射技術(shù)制備復(fù)合高k材料時(shí),射頻源頻率組合的選擇仍需要綜合考慮。(5)實(shí)驗(yàn)工作表明F摻雜Hf O2有效地鈍化了薄膜缺陷,提高了薄膜電學(xué)性能,然而F鈍化氧空位的內(nèi)在機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。我們從第一性原理出發(fā),應(yīng)用成熟的材料模塊CASTEP,討論氧空位存在和F鈍化氧空位對(duì)單斜相Hf O2態(tài)密度的影響。結(jié)果表明,氧空位會(huì)在Hf O2的禁帶中引入間隙態(tài)。F原子填補(bǔ)氧空位后,F原子的2P軌道和Hf原子的5d軌道雜化,把間隙態(tài)推到了Hf O2的導(dǎo)帶上,從而完全鈍化了氧空位。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.2;TN405
【目錄】：

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10 夏志鵬;鹿業(yè)波;胡慧;金清;王慧;唐睿強(qiáng);;快速冷熱循環(huán)對(duì)鋁薄膜結(jié)構(gòu)的影響[J];嘉興學(xué)院學(xué)報(bào);2014年03期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王友善;王長國;杜星文;;薄膜充氣梁的皺曲行為分析[A];第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C];2008年

2 宋昌永;王樹斌;;薄膜結(jié)構(gòu)中索滑動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響[A];第十屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅰ卷[C];2001年

3 馬平;胡建平;唐明;邱服民;王震;于杰;;高功率激光薄膜及相關(guān)檢測(cè)技術(shù)[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2005）[C];2005年

4 魏玉卿;尚仰宏;;空間薄膜結(jié)構(gòu)張拉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[A];中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)2009年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

5 劉錦華;姚冰;郝萬立;;溫度條件對(duì)鋯釩薄膜結(jié)構(gòu)的影響[A];第十屆中國核靶技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)摘要集[C];2009年

6 肖青平;楊斌;吳萍;郝建鋼;;輻照對(duì)碳氮薄膜結(jié)構(gòu)和硬度的影響[A];第四屆中國核學(xué)會(huì)省市區(qū)“三核”論壇論文集[C];2007年

7 王曉姹;李志青;吳萍;姜恩永;白海力;;退火對(duì)于碳氮薄膜結(jié)構(gòu)的影響[A];TFC'05全國薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2005年

8 張陽;陳光華;馬國斌;嚴(yán)輝;;織構(gòu)C_(60)薄膜的生長研究[A];1996年中國青年學(xué)者物理學(xué)討論會(huì)——薄膜材料與物理論文集[C];1996年

9 藺增;巴德純;;種植體表面碳基薄膜的制備及生物摩擦學(xué)性能研究[A];第十一屆全國摩擦學(xué)大會(huì)論文集[C];2013年

10 徐東;呂霞;戚震中;蔡柄初;;鐵基巨磁阻抗薄膜的研究[A];華東三省一市第三屆真空學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2000年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 呂軍鋒;[N];中國包裝報(bào);2009年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王長國;空間薄膜結(jié)構(gòu)皺曲行為與特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

2 李云良;空間薄膜褶皺及其動(dòng)態(tài)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

3 荊象陽;鉍系薄膜的制備及其介電、鐵電性能的研究[D];山東大學(xué);2009年

4 肖瀟;空間薄膜結(jié)構(gòu)的展開動(dòng)力學(xué)研究及熱分析[D];浙江大學(xué);2009年

5 宋青林;薄膜熱學(xué)特性研究[D];中國科學(xué)院研究生院（電子學(xué)研究所）;2004年

6 張海燕;復(fù)合鉿基高k薄膜的雙頻等離子體涂覆及機(jī)理研究[D];蘇州大學(xué);2015年

7 肖順豪;鉍薄膜的結(jié)構(gòu)與輸送性質(zhì)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2011年

8 董東;多孔二氧化硅薄膜的構(gòu)建及性能研究[D];電子科技大學(xué);2011年

9 喬磊;大尺度復(fù)雜張拉薄膜結(jié)構(gòu)整體分析理論及其軟件化[D];北京交通大學(xué);2011年

10 劉暉;金屬—絕緣體顆粒薄膜的輸運(yùn)特性研究[D];天津大學(xué);2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 葉超;α-C：F薄膜的沉積、結(jié)構(gòu)與介電性質(zhì)研究[D];蘇州大學(xué);2001年

2 胡立業(yè);鈦酸鍶鋇薄膜介電非線性特性研究[D];電子科技大學(xué);2007年

3 孫杰;鈦酸鍶鋇薄膜的制備及物理性能表征[D];河北大學(xué);2010年

4 王玉龍;面向仿生微納導(dǎo)航系統(tǒng)的光電薄膜的模型研究[D];大連理工大學(xué);2006年

5 秦英絢;視景系統(tǒng)薄膜反射鏡成形的有限元分析及控制方案研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

6 孫瀟女;脈沖激光沉積法制備銦摻雜氧化鎘薄膜及其光電性能研究[D];吉林大學(xué);2010年

7 桑勝波;量子阱薄膜結(jié)構(gòu)的機(jī)電特性實(shí)驗(yàn)研究[D];中北大學(xué);2006年

8 張宏超;薄膜結(jié)構(gòu)的找形方法和力學(xué)特性研究[D];西南交通大學(xué);2003年

9 王忠;織構(gòu)C_（60）薄膜的生長及特性研究[D];武漢理工大學(xué);2003年

10 張姝娟;球狀TiO_2薄膜的制備、改性及光電化學(xué)性質(zhì)研究[D];中南大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：復(fù)合鉿基高k薄膜的雙頻等離子體涂覆及機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：180970