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文檔簡介
1、集成電路的飛速發(fā)展促使半導體材料和工藝不斷更新?lián)Q代,對于MOS器件柵極介質(zhì)材料也提出了更高的要求,傳統(tǒng)的SiO2柵極氧化層已逐漸不能適合工藝需求,高K氧化物材料成為這一領(lǐng)域的熱門研究方向。本文以高K柵氧化物作為應用背景,通過射頻反應磁控濺射的方法,以氧氣通量、濺射時間和濺射功率為工藝參數(shù)分別在Si基片上制備了三組HfO2薄膜。運用X射線衍射分析儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、I-V/C-V測試儀、電子
2、薄膜應力分析測試儀等對制得的HfO2薄膜樣品進行了成分結(jié)構(gòu)、表面形貌、電學性能及殘余應力等分析。總結(jié)了HfO2薄膜的性能特點及其相互關(guān)聯(lián),探討了不同工藝參數(shù)對于薄膜性能的影響,結(jié)果如下:
一、HfO2薄膜的表面形貌特征與薄膜的殘余應力和電學性能都有著密切的聯(lián)系,通過改變工藝參數(shù)尋求薄膜表面形貌對于力學電學性能的影響具有重要作用。薄膜越均勻致密,表面平整度越好,薄膜的殘余應力和電學性能越好。經(jīng)過AFM測試分析發(fā)現(xiàn):
(
3、1)HfO2薄膜的表面粗糙度隨氧通量增大而減小,薄膜缺陷變少,薄膜變得均勻致密。
(2)由于受到物理厚度的影響,隨著濺射時間的增加HfO2薄膜表面粗糙度先增大后減小。
(3)隨著濺射功率增大,HfO2薄膜表面平整度變差,平均粗糙度變大。
二、微觀結(jié)構(gòu)對于薄膜的電學性能有著直接的聯(lián)系,非晶態(tài)具有更優(yōu)良的電學性能,而薄膜的晶化可以使介電常數(shù)降低以及漏電流增大。經(jīng)過XRD測試分析,三組HfO2薄膜的XRD圖譜均表
4、明薄膜是非晶態(tài)的,圖譜中只有強度很小而半高寬較大的HfO2單斜相衍射峰。隨著氧通量、濺射時間和濺射功率三組工藝參數(shù)的增大,薄膜均表現(xiàn)出單斜相晶化程度略有增加的情況。
三、漏電流是柵氧化物薄膜的關(guān)鍵指標之一,不同的工藝參數(shù)通過影響HfO2薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等,進而使薄膜的漏電流特性發(fā)生變化。
(1)當柵極電壓為負時,隨著HfO2薄膜制備的氧通量的增大,薄膜的陷阱減少,薄膜的泄漏電流密度也減小;當柵極電壓為正時,隨
5、著HfO2薄膜制備的氧通量的增大,薄膜泄漏電流呈現(xiàn)一定的增大趨勢。
(2)隨著濺射時間增加,薄膜漏電流逐漸減小。盡管薄膜表面趨于平整以及結(jié)晶程度有所提高,但由于濺射時間使薄膜厚度成比例增大,這是使漏電流減小的主要原因。
(3)隨著濺射功率的增加,由于薄膜表面粗糙度變差以及晶相增多,薄膜漏電流隨著濺射功率的增大而總體性增大。
四、由于氧氣通量相較于濺射時間和功率兩個參數(shù),對于薄膜成分結(jié)構(gòu)和性能的影響更為顯著,
6、因此單獨探討了氧氣通量對于HfO2薄膜化學組成、C-V特性以及殘余應力的影響。
(1)隨著氧氣通量增加,HfO2薄膜中氧空位的含量相應變少,氧與鉿的含量比逐漸增大,通過實驗計算得到氧鉿比從1.653逐漸增大至1.683。
(2)隨著氧氣通量的增加,沉積的HfO2薄膜的介電常數(shù)值從16.1增大到19.2,同時C-V曲線逐漸向電壓正向移動,這說明制備的HfO2薄膜MOS結(jié)構(gòu)中存在的氧化層電荷密度、界面態(tài)密度等都有所減小。
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