高K柵介質(zhì)Al2O3薄膜的力學(xué)及電學(xué)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(xué)和電學(xué)特性的研究分析,結(jié)合經(jīng)典力學(xué)、電學(xué)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致了RMS的增大。
　　(2)整組樣品的殘余應(yīng)力都為正值,氮氣中退火能有效的降低Al2O3薄膜的應(yīng)力值。退火前,500°C時薄膜的應(yīng)力值為526MPa的拉應(yīng)力,隨著基片溫度升高殘余拉應(yīng)力逐漸增大,在800°C到達1391MPa。不同的熱膨脹系數(shù)是導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因,用Stoney公式對薄膜的應(yīng)力進行了定量分析。

5、r>　　三.Al2O3薄膜電學(xué)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(yīng)力導(dǎo)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(xué)性能。
　　(2)在同一測試頻率中