原子層淀積高k材料的光學(xué)特性研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，集成電路芯片的密度隨之增大，晶體管的溝道長度和柵介質(zhì)的厚度也不斷縮小。當(dāng)傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)的厚度小于1.4nm時(shí)，由隧穿引發(fā)的漏電流急劇增大，導(dǎo)致器件的功耗增大到了一個(gè)不可接受的水平，需要尋找擁有高介電常數(shù)的、物理厚度大的新材料薄膜來取代 SiO2作為柵介質(zhì)材料。在所有的制備柵薄膜的方法中，原子層淀積技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)越性，所制備的薄膜組分一致性非常高。在本文中，主要對原子層淀積技術(shù)制備的Nd2O3, HfO2

2、和(HfO2/Al2O3)納米介質(zhì)膜的光學(xué)特性進(jìn)行了研究，主要的研究內(nèi)容如下：
　　1. Nd2O3光學(xué)特性和工藝相關(guān)性研究。首先分析了不同工藝條件下制備的Nd2O3介質(zhì)材料的特性，得到了采用ALD方式制備 Nd2O3介質(zhì)膜的優(yōu)化工藝條件如下：Nd(thd)3氣化溫度：185oC，生長溫度范圍：300-320oC，金屬前驅(qū)體 Nd(thd)3的脈沖時(shí)間大于0.5s。接著，研究了Nd2O3介質(zhì)膜的光學(xué)特性和退火溫度的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)材料的

3、折射率指數(shù)和高頻介電常數(shù)都隨著退火溫度的升高減小，而材料的帶隙能值隨著退火溫度的升高而增大。最后，分析了薄膜淀積后高溫退火對Nd氧化物的界面化學(xué)態(tài)和能帶排列的影響。通過研究元素Nd3d、O1s和Si2p的XPS核心結(jié)合能譜隨退火溫度的變化，發(fā)現(xiàn)界面的Nd硅酸鹽結(jié)構(gòu)隨著退火溫度的不斷升高，逐步由Nd2SiO5結(jié)構(gòu)向Nd2Si2O7結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。并且，Nd2O3介質(zhì)膜的直接帶隙能值隨著退火溫度的升高逐步增大。同時(shí)，計(jì)算得到Nd2O3介質(zhì)模和硅襯

4、底之間的價(jià)帶和導(dǎo)帶差都大于1eV。分析結(jié)果表明，Nd2O3介質(zhì)膜具有合適的帶隙能值，并硅襯底之間具有合適的能帶差，可以作為高K材料的應(yīng)用。
　　2. HfO2光學(xué)特性和厚度及氧化劑的相關(guān)性研究。首先，研究了HfO2薄膜的光學(xué)特性和介質(zhì)材料厚度的關(guān)系，分析結(jié)果表明，當(dāng)采用去離子水作為氧化劑時(shí)，預(yù)淀積膜的介電函數(shù)的實(shí)部值(ε1)隨著淀積周期數(shù)的增大而增大，而當(dāng)?shù)矸e周期數(shù)增大到一定程度(大于65周期)后，ε1值幾乎不再隨著淀積周期數(shù)變化

5、而變化。同時(shí)材料的帶隙能值也隨著材料膜厚度的增大而減小。而當(dāng)采用臭氧作為氧化劑時(shí)，材料的光學(xué)特性并沒有隨著膜厚的變化而表現(xiàn)出相似的變化趨勢?？梢钥闯?，氧化劑對于材料的光學(xué)特性有著很大的影響。接著，文中以淀積周期數(shù)為52的樣品為例，深入研究了氧化劑的不同對于介質(zhì)材料光學(xué)特性的影響。分析發(fā)現(xiàn)，水基的HfO2具有較大的ε1值。進(jìn)一步仔細(xì)研究材料的介電函數(shù)的虛部(ε2)，發(fā)現(xiàn)臭氧基的介質(zhì)材料，除了來自硅襯底的吸收特性峰值外，其在帶隙能值內(nèi)，吸收

6、特性峰最少。此外，臭氧基的HfO2材料具有較大的高頻介電函數(shù)、直接和間接帶隙能值。值得注意的是，無論是采用臭氧還是去離子水作為氧化劑，所得到的材料和硅襯底之間的價(jià)帶差和導(dǎo)帶差都比較大，這說明，原子層淀積技術(shù)淀積HfO2介質(zhì)材料時(shí)，無論采用水還是臭氧作為氧化劑，其得到的材料都能和硅襯底之間形成足夠高的勢壘，從而抑制電子和空穴隧穿。
　　3.不同結(jié)構(gòu) HfO2/Al2O3納米層的光學(xué)特性研究。文中分別對三種結(jié)構(gòu)的HfO2/Al2O3納

7、米介質(zhì)層進(jìn)行了分析研究。首先，分析了(HfO2/Al2O3)x疊柵結(jié)構(gòu)中， HfO2/Al2O3疊層厚度對整體介質(zhì)膜的影響。分析結(jié)果表明介電函數(shù)的實(shí)部和虛部都隨著 HfO2/Al2O3疊層厚度的減小而減小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，材料的光學(xué)帶隙能值并沒有隨著 HfO2/Al2O3疊層厚度的減小而發(fā)生太大的變化。同時(shí)，計(jì)算所得的材料的相對介電常數(shù)也變化不大。接著，分析了當(dāng)Al2O3插入層位于Al2O3/HfO2疊柵中的不同位置時(shí)，對疊柵的特性的影

8、響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al2O3插入層位于中間層時(shí)，其疊柵的ε1值最大。通過 XPS分析材料的價(jià)帶譜發(fā)現(xiàn)，Al2O3/HfO2疊柵和襯底之間的價(jià)帶差和導(dǎo)帶差都大于1eV。最后，研究了在HfO2中添加Al組分對介質(zhì)材料光學(xué)特性的影響。發(fā)現(xiàn)未摻雜的HfO2介質(zhì)膜在經(jīng)過500oC高溫退火后就出現(xiàn)了結(jié)晶現(xiàn)象。當(dāng)在介質(zhì)膜中引入Al組分，Al-HfO2介質(zhì)膜可以在700oC高溫退火后，依然保持無定形態(tài)。特別是，預(yù)淀積的[1Al2O3+5HfO2]薄膜，其光學(xué)特