高K柵介質(zhì)Al2O3薄膜的力學及電學特性研究.pdf

1、本課題擬研究新型高介電常數(shù)Al2O3薄膜材料來替代SiO2傳統(tǒng)柵氧化層,分別采用電子束蒸發(fā)和射頻磁控濺射兩種方法,制備了不同工藝條件下的高K氧化物Al2O3薄膜。通過對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、力學和電學特性的研究分析,結(jié)合經(jīng)典力學、電學理論,探討了它們之間的相互影響和內(nèi)在聯(lián)系。
　　一.磁控濺射制備Al2O3薄膜:
　　(1)改變磁控濺射的時間(12min、24min、36min和48min),隨著沉積時間的增加,薄膜表面

2、晶粒的大小和高度上都出現(xiàn)了增加,柱狀晶粒也變得明顯。同時伴隨著薄膜厚度的增加,薄膜的表面粗糙度RMS也增大。但是薄膜的應力表現(xiàn)為隨著沉積時間或顆粒尺寸增加而減小的趨勢,我們用Doljiak模型給出了解釋分析。
　　(2)改變磁控濺射的功率(100W、150W、200W、250W和300W),濺射功率的增加使得薄膜的沉積速度明顯增大。濺射功率的改變對Al2O3膜的RMS和顆粒大小影響很大,高的濺射功率導致了更大的薄膜的粗糙度,但是卻

3、帶來了更多的缺陷和生長應力。
　　二.電子束蒸發(fā)制備Al2O3薄膜,改變基片的溫度(500°C、600°C、700°C、800°C),不同基片溫度下的薄膜都呈現(xiàn)為非晶態(tài)。
　　(1)在相同的沉積時間下,隨著基片溫度的增加,薄膜厚度越來越大。500°C溫度下制備的薄膜膜面較為平滑,顆粒較小,薄膜表面有少量雜質(zhì)存在;當基片溫度到達800°C時,薄膜晶粒的尺寸和起伏高度都變大,晶粒之間的空隙被Al2O3填充。薄膜粗糙度RMS在1-

4、6nm之間,高溫下層狀和島狀生長導致的薄膜厚度增加和顆粒高度起伏增加共同作用,同時高基片溫度帶來的缺陷漏洞,共同導致了RMS的增大。
　　(2)整組樣品的殘余應力都為正值,氮氣中退火能有效的降低Al2O3薄膜的應力值。退火前,500°C時薄膜的應力值為526MPa的拉應力,隨著基片溫度升高殘余拉應力逐漸增大,在800°C到達1391MPa。不同的熱膨脹系數(shù)是導致應力產(chǎn)生的主要原因,用Stoney公式對薄膜的應力進行了定量分析。

5、r>　　三.Al2O3薄膜電學性能的研究:
　　(1)在同一基片溫度下,隨著電壓的增加,薄膜的漏電流值都出現(xiàn)了上升;在同一測試電壓下,隨著基片溫度的升高,薄膜的漏電流值越來越大,在800°C時漏電流達到最大值。更高的基片溫度帶來了界面態(tài)和氧化物陷阱的增加,而缺阱能級能減小隧穿的勢壘高度和寬度,從而帶來更大的漏電流。同時由于應力導致的晶格常數(shù)畸變會引起薄膜的禁帶寬度發(fā)生改變,從而影響薄膜的電學性能。
　　(2)在同一測試頻率中