Si83Ge17-Si基底上HfO2薄膜的介電性能與納米磁性.pdf

1、隨著巨大規(guī)模集成電路(GSI)的問(wèn)世,其基本組成單元補(bǔ)償性金屬.氧化物一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CMOS-FETs)的溝道長(zhǎng)度已經(jīng)縮短至32nm并正向22nm邁進(jìn)。為了保持足夠大的驅(qū)動(dòng)電流和高的柵極電容,傳統(tǒng)SiO2/SiOxNy柵介質(zhì)層厚度也隨之減薄。但當(dāng)其厚度減小至＜1nm時(shí),量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的柵極漏電流劇增,驅(qū)動(dòng)電流驟減,硼(磷)雜質(zhì)隧穿導(dǎo)致的器件可靠性下降等一系列問(wèn)題使得SiO2/SiOxNy,柵介質(zhì)已不能滿足下一代CMOS-FET

2、s的要求。解決問(wèn)題的方法之一就是尋找新型的柵介質(zhì)材料替代傳統(tǒng)的SiO2/SiOxNy,柵介質(zhì)。而HfO2因其優(yōu)良的電學(xué)性能以及在硅半導(dǎo)體襯底上良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,最有望替代SiO2/SiOxNy,成為下一代CMOS-FETs的柵介質(zhì)候選材料。另一方面,由于硅中空穴遷移率遠(yuǎn)低于電子遷移率,傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體襯底也逐漸不能滿足集成電路(IC)更高集成度的要求,尋找新型的半導(dǎo)體襯底也是大勢(shì)所趨?？紤]到與現(xiàn)有成熟硅基半導(dǎo)體工藝的兼容性,適用于CMO

3、S-FETs的新型半導(dǎo)體材料主要以應(yīng)力Si或Ge,以及各類Si/SiGe異質(zhì)結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)為主。其中,在Si中摻雜一定原子比的Ge形成的Si1-xGex體系由于晶格常數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力,可同時(shí)提高電子和空穴的溝道遷移率。因此以應(yīng)變Si1-xGex/Si堆棧結(jié)構(gòu)為基底的CMOS-FETs研究近年來(lái)開始受到人們的關(guān)注。
　　 本文采用射頻磁控濺射方法在p-Si83Ge17/Si壓應(yīng)變襯底上沉積制備HfO2柵介質(zhì)薄膜。利用X射線衍射對(duì)薄膜進(jìn)

4、行物相分析,測(cè)試分析結(jié)果表明沉積HfO2薄膜為單斜相(m-HfO2)多晶薄膜。利用Agilent4294A高精密阻抗分析儀和Keithley2400數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試了薄膜后退火處理前后的電學(xué)性能,并與相同條件沉積在無(wú)應(yīng)變p-Si襯底上HfO2薄膜的電學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)比研究結(jié)果表明:薄膜介電常數(shù)的頻率依賴性較小,1MHz時(shí)薄膜介電常數(shù)k約為～23.8。在相同的優(yōu)化制備條件下,沉積在Si83Ge17/Si襯底上的HfO2薄膜電學(xué)性能明顯

5、優(yōu)于沉積在Si襯底上的薄膜樣品:薄膜累積態(tài)電容增加;平帶電壓VFB減小至-0.06V;電容-電壓滯后回線明顯減小:-1V柵電壓下漏電流密度J減小至2.51×10-5 A·cm-2。
　　 另一方面,我們對(duì)比研究了Si襯底與Si83Ge17襯底上HfO2薄膜的界面微結(jié)構(gòu),利用可能產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能探討了其界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用原子力顯微鏡,高分辨透射電鏡以及X射線光電子能譜儀探測(cè)分析其界面微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于Si8

6、3Ge17應(yīng)變緩沖層中GeOx的存在,不僅使得沉積的HfOx＜2獲得氧原子補(bǔ)償成為完全化學(xué)配比的HfO2,而且避免了濺射過(guò)程中HfOx＜2與Si襯底的直接接觸,抑制了界面反應(yīng)的發(fā)生,最終減少界面層中非完全化學(xué)配比硅化物HfSix和硅酸鹽HfSiOx＜4的形成,故Si83Ge17/Si襯底上薄膜樣品的電學(xué)性能明顯優(yōu)于無(wú)應(yīng)變層Si襯底上的薄膜樣品。
　　 此外,我們還研究了濺射功率,后退火氛圍以及溫度對(duì)Si83Ge17/Si襯底上H

7、fO2薄膜納米磁性的影響,并探討其納米磁性的來(lái)源。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;利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)其表面形貌,利用高分辨透射電鏡(HRTEM)觀測(cè)其界面微結(jié)構(gòu)。利用X射線光電子能譜(APS)深度剖析技術(shù)對(duì)比研究了不同氛圍后退火處理后薄膜和界面成分。SEM觀測(cè)結(jié)果表明,室溫沉積的薄膜樣品已結(jié)晶,膜面致密均勻,500℃退火后膜面開始龜裂。HRTEM觀測(cè)和XPS深度剖析表明:氧氣氛圍中

8、退火薄膜成分為完全化學(xué)配比的HfO2和HfSiOx混合物,而高真空退火薄膜成分為氧配比不足的HfOx＜2和HfSiOx的混合物;氧氣氛圍和高真空退火薄膜樣品都生成了HfSiOx和HfSix混合界面層,但是高真空退火薄膜樣品界面層中HfSix的比例高于氧氣氛圍退火薄膜樣品。磁性測(cè)量表明,薄膜磁化曲線類似于弱鐵磁性飽和磁化曲線,居里溫度高達(dá)400K以上,具有磁矩各向異性,但卻無(wú)磁滯回線。在優(yōu)化制備條件下(3paAr氛圍中70W功率下室溫沉積

9、薄膜),可獲得1.8 emu/cm3最大飽和磁矩。當(dāng)退火溫度低于800℃時(shí),氧氣氛圍退火后薄膜樣品飽和磁矩隨著退火溫度的上升而下降,而高真空退火后薄膜樣品的飽和磁矩緩慢增加:但是當(dāng)退火溫度到達(dá)800℃時(shí),飽和磁矩變化趨勢(shì)發(fā)生反轉(zhuǎn):氧氣氛圍退火后薄膜飽和磁矩增加,而高真空退火處理后薄膜飽和磁矩急劇下降。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,后退火氛圍中氧含量的高低對(duì)薄膜飽和磁矩有著顯著的影響,因此我們提出如下定性結(jié)論:HfO2薄膜的納米磁性主要來(lái)源于薄膜中的