Hf基高k材料的物性表征.pdf

1、國際半導體技術藍圖(ITRS)預言了先進 Complementary Metal-Oxide．Semiconductor(CMOS)器件尺寸縮減的趨勢。當柵層的等效氧化厚度小于1.5nm時，傳統(tǒng)的SiO<,2>材料已經(jīng)達到了物理極限，由量子遂穿效應引起的漏電流在這個尺度內(nèi)，將會隨厚度減小而呈指數(shù)式增加。因此，使用高k(介電常數(shù))材料來取代SiO<,2>是目前半導體工藝發(fā)展的趨勢。因為在相同的電容值的情況下，高k材料具有更厚的厚度，可以有

2、效地減小漏電流的發(fā)生。同時，因為閥值電壓反比于柵介質(zhì)的介電常數(shù)，所以高k材料還具有較低閥值電壓，從而有助于提高整體器件的靈敏性。但是，對于合適的高k材料的選取要求比較嚴格。比如介電常數(shù)要適中，不宜過高。因為過高的介電常數(shù)往往會導致帶寬的減小，從而增加了漏電流。另外還要求高k材料與硅接觸有良好的熱穩(wěn)定性等等。在眾多的高k材料中，Hf02是公認的最具前景的替代SiO<,2>的柵介質(zhì)材料，HfO<,2>和Hf基介質(zhì)材料因而受到了人們廣泛的關注

3、。 本篇論文的工作主要集中在HfO<,2>和HfON高k介質(zhì)的電學性質(zhì)上，同時對HfO<,2>高k材料的光致發(fā)光以及場發(fā)射特性進行了初步的研究。利用濺射實驗方法的特點，制備了具有良好電學性質(zhì)的HfON-HfO<,2>-HfON結構的堆棧薄膜。HfON是HfO<,2>同HfN之間的過渡化合物，由于它特殊的性質(zhì)，在實驗中發(fā)現(xiàn)并初步分析了其與多孔硅，稀土發(fā)光材料結合的發(fā)光現(xiàn)象，以及HfON自身場發(fā)射現(xiàn)象的原因。具體如下： 1．

4、Hf基高k材料的電學性質(zhì)。首先設計并制備了HfON-HfO<,2>-HfON堆棧結構，通過其與純HfON和HfO<,2>性質(zhì)的對比，發(fā)現(xiàn)它除了具有良好的電學特性，還具有較好的阻擋氧擴散的能力。同時，因為具有制備簡單，未引入新的雜質(zhì)元素的特點，適宜于大規(guī)模工藝的應用。其缺點在于如何進一步控制三層之間的界面分界與相關層的厚度。 電荷陷阱一直被認為是阻擋Hf基材料在CMOS技術中應用的主要問題之一。比如它會導致閥值電壓的不穩(wěn)定和遷移率

5、的降低。通過測量C-V性質(zhì)的變化，以及分析萃取的閥值電壓，平帶電壓，可以表征其基本情況。這篇論文對影響高k柵介質(zhì)的電荷陷阱的性質(zhì)進行了研究。通過對電容-電壓特性，以及漏電流特性的測試，分析了陷阱俘獲和釋放過程，并且對制備的高k薄膜的陷阱能級進行了分析。同時，通過簡便有效的厚度變動對電學性質(zhì)的影響分析，對陷阱缺陷的分布做了粗略的推斷。 2．Hf基材料的光致發(fā)光同場發(fā)射特性。Hf基材料具有廣泛的應用。本論文在對Hf基材料的高k性質(zhì)進行研究的