射頻磁控濺射HfO2薄膜的電學(xué)特性及室溫弱鐵磁性研究.pdf

1、隨著硅基半導(dǎo)體集成電路集成度的迅猛提高，其基本組成單元金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS-FETs)的溝道長(zhǎng)度已縮短到45nm。根據(jù)ITRS roadmap2009年公布的發(fā)展規(guī)劃，在采用新結(jié)構(gòu)、引入新材料的前提下，MOS-FETs將在2020年進(jìn)入14nm技術(shù)時(shí)代。為保持其高的柵極電容，原有的SiO2/SiOxNy柵介質(zhì)層厚度也隨之相應(yīng)減薄。但是當(dāng)其厚度減小到<1nm時(shí)，出現(xiàn)的漏電流增大，驅(qū)動(dòng)電流減小以及硼(磷)雜質(zhì)隧穿導(dǎo)致的器

2、件可靠性下降等問(wèn)題，使得傳統(tǒng)SiO2/SiOxNy柵介質(zhì)層已經(jīng)不能滿足下一代MOS-FETs的要求，尋找新型柵介質(zhì)材料成為當(dāng)務(wù)之急。在眾多的候選材料中，HfO2因其優(yōu)良的電學(xué)性能以及與當(dāng)前硅基半導(dǎo)體工藝較好的兼容性，有望替代SiO2/SiOxNy成為下一代MOS-FETs的柵介質(zhì)候選材料。
　　 本文采用射頻磁控方法沉積制備HfO2薄膜，研究不同沉積氛圍(純Ar，Ar+O2和Ar+N2)和后退火處理對(duì)其電學(xué)性能的影響。利用Agi

3、lent4294A高精密阻抗分析儀和Keithley2400數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試其MOS電容器結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能；利用高分辨電鏡和X射線光電子能譜觀測(cè)其界面微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在純Ar氛圍室溫沉積的HfO2薄膜具有相對(duì)較好的電學(xué)性能(有效介電常數(shù)εr～17.7；平帶電壓～0.36 V；1 V柵電壓下的漏電流密度～4.15×10-3A cm-2)。高分辨透射電鏡觀測(cè)和X射線光電子能譜深度剖析表明，在非晶HfO2薄膜和Si襯底之間生成了非化學(xué)配

4、比的HfSixOy和HfSix混合界面層。該界面層的出現(xiàn)降低了薄膜的有效介電常數(shù)，而界面層中的電荷捕獲陷阱則導(dǎo)致薄膜電容-電壓曲線出現(xiàn)順時(shí)針的回線。
　　 此外，我們還研究了射頻磁控濺射制備HfO2薄膜的室溫弱鐵磁性。本文通過(guò)改變沉積/后退火氛圍以及后退火溫度，對(duì)HfO2薄膜中以氧空位為主的缺陷實(shí)施干預(yù)，再利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試不同制備條件和后退火處理后薄膜的磁化曲線。X射線光電子能譜深度剖析測(cè)試表明，缺氧氛圍(純Ar