鉿基高k柵介質(zhì)薄膜和白色長余輝材料研究.pdf

1、MOS晶體管出現(xiàn)以后，以硅基集成電路為核心的微電子技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。隨著電路集成度的日益提高，半導(dǎo)體器件的特征尺寸遵從摩爾定律的速度不斷減小。在65nm工藝的晶體管中，二氧化硅柵介質(zhì)層被縮小到1.2nm，由量子遂穿效應(yīng)引起的漏電流顯著增大，作為阻隔柵極和下層半導(dǎo)體的絕緣體，傳統(tǒng)的Si02柵介質(zhì)已經(jīng)達(dá)到其極限。采用高介電常數(shù)的新型絕緣介質(zhì)材料(簡稱高k材料)是有效的解決途徑，也是半導(dǎo)體工藝發(fā)展的趨勢。采用高k材料作為柵介質(zhì)層，將增加?xùn)?/p>

2、介質(zhì)層的物理厚度，在保證對溝道有相同的控制能力的條件下，可以有效地減小漏電流的發(fā)生，提高器件的穩(wěn)定性。因此，各種各樣的高k材料被用來研究作為Si02柵介質(zhì)的可能的替代物質(zhì)。在眾多的高k材料中，Hf02和Hf基介質(zhì)材料是公認(rèn)的最具前景的替代Si02的柵介質(zhì)材料，并且已經(jīng)成功運(yùn)用于45nm技術(shù)。因此本文選取鉿基材料作為研究對象，采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)制備了La2Hf2O7和Hf(1-x)LaxOy薄膜，對其結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、界面反應(yīng)和

3、界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 第二章中，我們采用脈沖激光沉積技術(shù)成功地在Si (100)襯底上制備出非晶La2Hf2O7柵介質(zhì)薄膜。該薄膜顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，保持非晶狀態(tài)至900℃，完全能夠滿足工藝上的熱穩(wěn)定性要求。研究了該非晶薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，表明雖然為非晶狀態(tài)，但是具有立方相La2Hf2O的最近鄰局域結(jié)構(gòu)。XRR、XRR、FTIR等分析表明生長過程中有硅酸鹽和硅氧化物界面層形成，襯底溫度越高或者沉積時(shí)間越長，則界面層越厚

4、；在缺氧氣氛下生長時(shí)，有少量鉿的硅化物形成，但是可以通過在氧氣氛環(huán)境中制備或者后退火處理的方式加以抑制或者消除。利用同步輻射光電子能譜，通過兩種不同的方式對La2Hf2O7薄膜與Si的能帶偏移進(jìn)行了研究，并取得了一致的結(jié)果；結(jié)果顯示，La2Hf2O7/Si價(jià)帶偏移△Ev是2.6±0.1eV，按照文獻(xiàn)中La2Hf2O7的禁帶寬度為5.6eV計(jì)算，其導(dǎo)帶偏移△EC約為1.7±0.1eV，能夠滿足高k材料對勢壘高度的要求。我們通過遠(yuǎn)紅外光譜和

5、振子擬合方法，得到了La2Hf2O7薄膜與體材料的具體聲子模式和介電函數(shù)。薄膜樣品的振子強(qiáng)度雖然普遍較弱，但是由于薄膜樣品包括非晶薄膜和體材料存在相似的局域結(jié)構(gòu)，因此依然能夠保持一定的介電常數(shù)。
　　 第三章中，我們研究了制備條件和La摻雜濃度對HfO2柵介質(zhì)薄膜的結(jié)構(gòu)、紅外聲子模式、及介電性能的影響。室溫下制備的HfO2薄膜為非晶狀態(tài)，襯底溫度400℃時(shí)已經(jīng)形成單斜相的HfO2薄膜，1000℃退火后薄膜結(jié)晶質(zhì)量改善，更趨向于（

6、111）晶面取向。EXAFS研究顯示低襯底溫度下制備的HfO2樣品具有更短的Hf-O鍵長和更高的無序度。薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜質(zhì)量影響其遠(yuǎn)紅外聲子模式，使得一些低頻紅外聲子模式的消失，造成其介電常數(shù)相對體材料有所降低。
　　 由于薄膜材料和體材料具有相似的局域結(jié)構(gòu)，而且影響靜態(tài)介電常數(shù)的主要遠(yuǎn)紅外聲子模式依然存在，因此薄膜材料仍然可以保持相對較高的介電常數(shù)。摻入少量的La，能夠降低HfO2高溫相的結(jié)晶溫度，形成介電常數(shù)較高的立方相HfO

7、2，而較高的La摻雜濃度則形成了近似La2Hf2O7局域結(jié)構(gòu)的非晶薄膜。La摻雜不僅能夠提高HfO2的結(jié)晶溫度，而且能夠提高其介電常數(shù)。La摻雜濃度的增加，紅外聲子模式被逐漸軟化，同時(shí)介電常數(shù)增加。
　　 第四章中，詳細(xì)討論了白色長余輝材料CaxMgSi2O5+x:Dy3+的發(fā)光性能和長余輝機(jī)理。采用高溫固相法制備了不同摻雜濃度的CaMgSi2O6：Dy3+，Ca2MgSi2O7：Dy3+，Ca3MgSi2O8：Dy3+粉末樣品