高k電介質(zhì)薄膜制備研究與集成薄膜電容探討.pdf

1、隨著無線通信的飛速發(fā)展，電子器件越來越朝著微型化、薄膜化、集成化的方向發(fā)展，作為電路基本元件的電容也因此受到科技界的廣泛關(guān)注。本文主要對薄膜電容進行研究，研究工作從兩個方面展開：a.以MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)柵電容為應(yīng)用背景的高介電常數(shù)電介質(zhì)薄膜的研究；b.基于MIM(Metal-Insulator-Metal)結(jié)構(gòu)和共面電極結(jié)構(gòu)的集成薄膜電容研究。 本文第一部分以濺射沉積SiOxNy、T

2、iO2等高k電介質(zhì)薄膜為研究主題，研究了濺射工藝對薄膜成分、結(jié)構(gòu)的影響；并以MOS電容柵介質(zhì)為應(yīng)用背景，對薄膜電學(xué)性能進行了討論。取得了如下研究成果： 1.研究了O2/N2/Ar混合氣氛中SiOxNy薄膜的反應(yīng)濺射沉積。通過對反應(yīng)濺射機理研究和建模分析，找出了反應(yīng)氣體流量配比同濺射速率、薄膜成分間的關(guān)系；據(jù)此結(jié)合濺射系統(tǒng)的實際條件，確定了由1.0sccm氮氣和9.5sccm氬氣組成預(yù)置氣體流量，再通過微調(diào)氧氣流量對SiOxNy，

3、薄膜成分進行有效控制。這一混合氣體控制方案實現(xiàn)了低溫條件下濺射速率和成分控制之間的較好協(xié)調(diào)，在500W射頻功率下SiOxNy，薄膜的平均濺射速率達到15nm/min，并實現(xiàn)了對薄膜成分(氧原子比O/(O+N)約0.3～0.8)和介電常數(shù)(4.3～6.7)的有效控制。實驗結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有報道的水平，相關(guān)成果已發(fā)表在SCI英文期刊上。 2.系統(tǒng)研究了工藝條件對TiO2薄膜晶格結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，襯底溫度影響薄膜結(jié)構(gòu)，隨著襯底溫度的提高

4、，薄膜逐步從銳鈦礦相結(jié)構(gòu)向熱穩(wěn)定性更好的金紅石相為主的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；濺射功率和濺射氣壓則通過影響襯底的離子流轟擊強度作用于薄膜結(jié)構(gòu)，轟擊強度的增大也有助于金紅石相比重的提高，但離子流轟擊強度對薄膜晶格結(jié)構(gòu)的影響是非線性的，濺射功率和氣壓增大到一定程度后，金紅石結(jié)構(gòu)的生長反而受到了抑制。文中同時研究了后續(xù)退火對TiO2薄膜晶格結(jié)構(gòu)的影響。薄膜的介電常數(shù)基本上是和金紅石相的含量成正比的，當薄膜制備工藝(包括沉積和退火)傾向于促進薄膜的金紅石結(jié)構(gòu)

5、生長時，介電常數(shù)會有相應(yīng)的提高。所采取的制備條件有效地將TiO2薄膜介電常數(shù)控制在30~80以內(nèi)。 3.根據(jù)上述研究，以MOS電容柵介質(zhì)為應(yīng)用背景，系統(tǒng)研究了TiO2、TiO2/SiO2、TiO2/SiOxNy等不同結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的電學(xué)性能。TiO2/SiO2、TiO2/SiOxNy結(jié)構(gòu)柵介質(zhì)的漏電流分別比單純TiO2作柵介質(zhì)時降低了50％和70％，同柵介質(zhì)電荷相關(guān)的柵壓偏移量也減少了lV以上，說明了層疊結(jié)構(gòu)中SiO2、SiOxNy

6、，等人工界面層在改善電學(xué)質(zhì)量方面的作用。而同SiO2相比，SiOxNy作界面層時柵介質(zhì)電荷密度更低(柵壓漂移量減小了0.2V左右)，積累態(tài)電容值也高出了17％，但界面電學(xué)質(zhì)量卻是前者更具優(yōu)勢，我們認為這主要源于不同界面層作用下TiO2層的不同擴散程度。SiOxNy，中的N成分在抑制TiO2層擴散方面的作用更顯著，柵介質(zhì)電荷密度因而更低，但N成分導(dǎo)致的界面化學(xué)鍵過約束狀態(tài)則使得界面質(zhì)量略顯不足。這一區(qū)別也反映在漏電機制上，TiO2/SiO

7、2的漏電機制傾向于體缺陷主導(dǎo)的Poole-Frankel機制，而TiO2/SiOxNy，的漏電機制傾向于界面缺陷主導(dǎo)的Schottkey Emission機制?？傮w而言，TiO2/SiOxNy結(jié)構(gòu)柵介質(zhì)的綜合性能更佳，有較好的發(fā)展前景。這一系統(tǒng)性研究工作對TiO2等高k電介質(zhì)薄膜的應(yīng)用有重要意義。本文第二部分研究了基于MIM(Metal-Insulator-Metal)結(jié)構(gòu)和共面電極結(jié)構(gòu)的集成薄膜電容，相關(guān)研究成果如下： 1.在

8、陶瓷基片上制備了MIM結(jié)構(gòu)集成薄膜電容，并研究了后續(xù)退火和偏壓濺射對電容性能的影響。沉積后退火處理可以減少由粗糙襯底和沉積工藝造成的孔洞、缺陷及不連續(xù)狀態(tài)，從而增大絕緣強度，減小電導(dǎo)損耗機制作用下的損耗因子。退火后電容最高擊穿場強在10 7v/m以上，5MHz下?lián)p耗因子在0.01以下，但過度的熱處理卻破壞了原有的連續(xù)膜層，導(dǎo)致電容電學(xué)性能的惡化。偏壓濺射通過高能離子轟擊促進介質(zhì)膜致密度的提高，改善電容性能。但離子轟擊也導(dǎo)致了薄膜缺陷密度

9、的增大，出現(xiàn)了電導(dǎo)損耗和弛豫損耗共同作用的損耗機制。強度過大的偏壓濺射還可能造成破壞型離子轟擊和襯底反濺，加劇電容性能的惡化。偏壓濺射后電容擊穿場強也可達到107v/m，5MHz下?lián)p耗因子在0.015左右，并具有在線增強的優(yōu)勢。 2.叉指電容和分形電容是新近出現(xiàn)的電容結(jié)構(gòu)，本文分別從理論設(shè)計和實驗制備兩個方面對這兩種新型共面電極結(jié)構(gòu)的平面電容進行了探索性的研究。以保角變換為基礎(chǔ)的靜態(tài)電容提取解析法研究表明，影響叉指形電容靜態(tài)電容

10、值的主要因素是叉指電極長度，增大電極寬度/電極間距比(寬距比)也有助于電容密度的增大。而以叉指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分形電容，其靜態(tài)電容值的提高也需要對叉指電極長度、寬距比等因素進行協(xié)調(diào)；仿真分析和去耦測試研究表明，影響叉指電容高頻特性的主要因素是電極寬距比，增大電容寬距比后，電極間距相對減小，電極間的耦合增大，相應(yīng)的寄生電感也增大。分形結(jié)構(gòu)可以在保證電極問距(同電極工藝精度直接關(guān)聯(lián)的參數(shù))不變的情況下，改善電容的高頻性能；本文還創(chuàng)造性的采用激光