射頻磁控濺射HfO2薄膜的電學特性及室溫弱鐵磁性研究.pdf

1、隨著硅基半導體集成電路集成度的迅猛提高，其基本組成單元金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOS-FETs)的溝道長度已縮短到45nm。根據ITRS roadmap2009年公布的發(fā)展規(guī)劃，在采用新結構、引入新材料的前提下，MOS-FETs將在2020年進入14nm技術時代。為保持其高的柵極電容，原有的SiO2/SiOxNy柵介質層厚度也隨之相應減薄。但是當其厚度減小到<1nm時，出現(xiàn)的漏電流增大，驅動電流減小以及硼(磷)雜質隧穿導致的器

2、件可靠性下降等問題，使得傳統(tǒng)SiO2/SiOxNy柵介質層已經不能滿足下一代MOS-FETs的要求，尋找新型柵介質材料成為當務之急。在眾多的候選材料中，HfO2因其優(yōu)良的電學性能以及與當前硅基半導體工藝較好的兼容性，有望替代SiO2/SiOxNy成為下一代MOS-FETs的柵介質候選材料。
　　 本文采用射頻磁控方法沉積制備HfO2薄膜，研究不同沉積氛圍(純Ar，Ar+O2和Ar+N2)和后退火處理對其電學性能的影響。利用Agi

3、lent4294A高精密阻抗分析儀和Keithley2400數字萬用表測試其MOS電容器結構的電學性能；利用高分辨電鏡和X射線光電子能譜觀測其界面微結構。實驗測試結果表明，在純Ar氛圍室溫沉積的HfO2薄膜具有相對較好的電學性能(有效介電常數εr～17.7；平帶電壓～0.36 V；1 V柵電壓下的漏電流密度～4.15×10-3A cm-2)。高分辨透射電鏡觀測和X射線光電子能譜深度剖析表明，在非晶HfO2薄膜和Si襯底之間生成了非化學配

4、比的HfSixOy和HfSix混合界面層。該界面層的出現(xiàn)降低了薄膜的有效介電常數，而界面層中的電荷捕獲陷阱則導致薄膜電容-電壓曲線出現(xiàn)順時針的回線。
　　 此外，我們還研究了射頻磁控濺射制備HfO2薄膜的室溫弱鐵磁性。本文通過改變沉積/后退火氛圍以及后退火溫度，對HfO2薄膜中以氧空位為主的缺陷實施干預，再利用振動樣品磁強計(VSM)測試不同制備條件和后退火處理后薄膜的磁化曲線。X射線光電子能譜深度剖析測試表明，缺氧氛圍(純Ar