氧化鉺高K薄膜材料的結構與電學性能研究.pdf

1、微電子工業(yè)迅速發(fā)展，半導體器件的特征尺寸按摩爾定律不斷縮小。SiO2作為MOSFET的柵介質材料已不能滿足技術發(fā)展的要求。因此，需要尋找新型高K介質材料，能夠在保持和增大柵極電容的同時，使介質層仍保持足夠的物理厚度來限制隧穿效應的影響。氧化鉺（Er2O3）由于其比較高的介電常數，較大的禁帶寬度和良好的熱穩(wěn)定性，成為下一代MOS柵介質強有力的競爭者。因此，本文選擇氧化鉺作為COMS柵介質材料，旨在制備和研究具有良好結構和電學性能的高K柵介

2、質材料。論文主要研究的內容有： 1研究Er2O3的制備技術和最佳工藝條件。采用射頻反應磁控濺射法，以高純Er（99．99%）為靶材，以氬氣為濺射氣體，氧氣為反應氣體，制備氧化鉺薄膜。 2．采用電子能譜，掃描電鏡（SEM）和XRD分析薄膜的成分，組織形貌和晶體結構。重點研究分析工作氣體中Ar與O2的流量和退火溫度對薄膜晶體結構和組織形貌的影響。結果表明：在室溫下沉積的Er2O3薄膜是非晶態(tài)，600℃以上退火后，薄膜由非晶轉

3、變?yōu)槎嗑?，可觀察到較強的Er2O3的（222）、（400）和（440）特征峰，薄膜都表現(xiàn)出（222）方向的擇優(yōu)生長，同時氬氧比的增加有利于提高氧化鉺薄膜的生長速率。 3．采用吸收光譜和橢圓偏振光譜，研究分析了氧化鉺薄膜的光學性能。結果表明：Er2O3薄膜的折射率n隨波長的增加急劇下降；在350-700nm的可見光波段，折射率隨波長的增加緩慢減小，而在700-1000nm的紅外波段，折射率基本保持常數。總體來看隨著反應氣體中Ar氣

4、比例的增加，折射率增大。在波長550nm處對應的折射率最大值為1．81。Er2O3薄膜的消光系數k在250-350nm的紫外波段，k隨波長的增加急劇減??；在350～1000nm的可見及紅外波段內接近于0，表明在此波段Er2O3薄膜的透光性很好。同時透射光譜表明：Er2O3薄膜在300～800nm范圍內的透射率大于90%，禁帶寬度Eg大于5．5eV。 4．研究分析了氧化鉺薄膜的電學性能。在不同工藝條件下，制備了Er/Er2O3/E

5、r（MIM）和Er/Er2O3/Si（MOS）結構，通過測試I-V特性曲線，C-V特性曲線，C-f特性曲線，分析了氬氧比和退火溫度對氧化鉺薄膜的介電常數、漏電流密度、擊穿場強等電學性能與制備工藝條件的關系。結果表明：Ar：O2對介電常數有一定的影響，隨著Ar：O2比的增加介電常數增加，未退火的樣品，氬氧比為4：1，5：1，6：1，7：1的樣品的介電常數分別為7．1，7．7，9．3，10．5。退火熱處理使Er2O3薄膜的介電常數和擊穿場強