HfO2薄膜微結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能研究.pdf

1、集成電路的飛速發(fā)展促使半導(dǎo)體材料和工藝不斷更新?lián)Q代,對于MOS器件柵極介質(zhì)材料也提出了更高的要求,傳統(tǒng)的SiO2柵極氧化層已逐漸不能適合工藝需求,高K氧化物材料成為這一領(lǐng)域的熱門研究方向。本文以高K柵氧化物作為應(yīng)用背景,通過射頻反應(yīng)磁控濺射的方法,以氧氣通量、濺射時(shí)間和濺射功率為工藝參數(shù)分別在Si基片上制備了三組HfO2薄膜。運(yùn)用X射線衍射分析儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、I-V/C-V測試儀、電子

2、薄膜應(yīng)力分析測試儀等對制得的HfO2薄膜樣品進(jìn)行了成分結(jié)構(gòu)、表面形貌、電學(xué)性能及殘余應(yīng)力等分析?？偨Y(jié)了HfO2薄膜的性能特點(diǎn)及其相互關(guān)聯(lián),探討了不同工藝參數(shù)對于薄膜性能的影響,結(jié)果如下:
　　一、HfO2薄膜的表面形貌特征與薄膜的殘余應(yīng)力和電學(xué)性能都有著密切的聯(lián)系,通過改變工藝參數(shù)尋求薄膜表面形貌對于力學(xué)電學(xué)性能的影響具有重要作用。薄膜越均勻致密,表面平整度越好,薄膜的殘余應(yīng)力和電學(xué)性能越好。經(jīng)過AFM測試分析發(fā)現(xiàn)：
　　(

3、1)HfO2薄膜的表面粗糙度隨氧通量增大而減小,薄膜缺陷變少,薄膜變得均勻致密。
　　(2)由于受到物理厚度的影響,隨著濺射時(shí)間的增加HfO2薄膜表面粗糙度先增大后減小。
　　(3)隨著濺射功率增大,HfO2薄膜表面平整度變差,平均粗糙度變大。
　　二、微觀結(jié)構(gòu)對于薄膜的電學(xué)性能有著直接的聯(lián)系,非晶態(tài)具有更優(yōu)良的電學(xué)性能,而薄膜的晶化可以使介電常數(shù)降低以及漏電流增大。經(jīng)過XRD測試分析,三組HfO2薄膜的XRD圖譜均表

4、明薄膜是非晶態(tài)的,圖譜中只有強(qiáng)度很小而半高寬較大的HfO2單斜相衍射峰。隨著氧通量、濺射時(shí)間和濺射功率三組工藝參數(shù)的增大,薄膜均表現(xiàn)出單斜相晶化程度略有增加的情況。
　　三、漏電流是柵氧化物薄膜的關(guān)鍵指標(biāo)之一,不同的工藝參數(shù)通過影響HfO2薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等,進(jìn)而使薄膜的漏電流特性發(fā)生變化。
　　(1)當(dāng)柵極電壓為負(fù)時(shí),隨著HfO2薄膜制備的氧通量的增大,薄膜的陷阱減少,薄膜的泄漏電流密度也減小;當(dāng)柵極電壓為正時(shí),隨

5、著HfO2薄膜制備的氧通量的增大,薄膜泄漏電流呈現(xiàn)一定的增大趨勢。
　　(2)隨著濺射時(shí)間增加,薄膜漏電流逐漸減小。盡管薄膜表面趨于平整以及結(jié)晶程度有所提高,但由于濺射時(shí)間使薄膜厚度成比例增大,這是使漏電流減小的主要原因。
　　(3)隨著濺射功率的增加,由于薄膜表面粗糙度變差以及晶相增多,薄膜漏電流隨著濺射功率的增大而總體性增大。
　　四、由于氧氣通量相較于濺射時(shí)間和功率兩個(gè)參數(shù),對于薄膜成分結(jié)構(gòu)和性能的影響更為顯著,

6、因此單獨(dú)探討了氧氣通量對于HfO2薄膜化學(xué)組成、C-V特性以及殘余應(yīng)力的影響。
　　(1)隨著氧氣通量增加,HfO2薄膜中氧空位的含量相應(yīng)變少,氧與鉿的含量比逐漸增大,通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到氧鉿比從1.653逐漸增大至1.683。
　　(2)隨著氧氣通量的增加,沉積的HfO2薄膜的介電常數(shù)值從16.1增大到19.2,同時(shí)C-V曲線逐漸向電壓正向移動(dòng),這說明制備的HfO2薄膜MOS結(jié)構(gòu)中存在的氧化層電荷密度、界面態(tài)密度等都有所減小。