HfO高K栅介质的电学特性及其氮化效应研究

摘要

该论文选择HfO<,2>高K栅介质作为研究对象,利用反应溅射方法制备了HfO2栅介质薄膜;仔细分析了不同的工艺制备条件对其HfO<,2>栅介质电学性质和可靠性的影响;分析了HfO<,2>栅介质中的漏电流机制和应力感应的漏电流(Stress-induced leakage current,SILC)效应以及工艺条件的影响;同时还利用反应溅射方法制备了氮化的HfO<,2>(HfO<,x>N<,y>)栅介质薄膜,研究了HfO<,x>N<,y>高K栅介质的电学特性.研究取得的一些有意义的结果,主要有:1)我们成功制备了等效氧化层厚度(EOT)小于3.5nm,漏电流密度小于10<'-7>A/cm <'2>@Vg=-1V的HfO<,2>栅介质薄膜;2)研究了不同的Si衬底表面制备工艺对HfO<,2>栅介质性能的影响.结果表明,与传统的HF清洗的Si表面相比,NH<,4>F清洗的Si表面与HfO<,2>具有更好的热力学稳定性,因而可获得更低的EOT和栅泄漏电流密度;3)研究了溅射气氛和退火工艺对HfO<,2>栅介质薄膜性质的影响.研究显示,溅射氛围中增加氧分压和在氧气氛退火有助于减小HfO<,2>栅介质的漏电流.栅泄漏电流的减小可归于氧空位缺陷的减小,即高的溅射氧气氛和氧气氛退火有助于减小HfO<,2>栅介质中的氧空位缺陷;4)研究了反应溅射制备的HfO<,2>栅介质漏电流机制及其SILC效应.研究表明,在优化工艺条件下制备的HfO<,2>介质层中,衬底注入条件下由于其较低的体和界面缺陷密度,漏电流的输运机制主要以Schottky发射为主;SILC效应导致HfO<,2>/Si界面缺陷态的增加,从而使得衬底注入条件下,栅泄漏电流机制不仅有Schottky发射还有F-P发射机制起主要作用;5)初步研究了氮化的HfO<,2>(HfO<,x>N<,y>)栅介质的电学特征.结果表明,与HfO<,2>相比,氮化的HfO<,2>具有小的漏电流.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1微电子技术的发展趋势及其对高K材料的需求

§1.2高K栅介质的研究进展

§1.3本论文研究的主要内容

第二章实验原理及相关物理基础

§2.1磁控溅射沉积原理

§2.2 MIS结构C-V测试原理

§2.3栅介质层泄露电流机制

第三章HfO2高K栅介质的制备及其电学特性分析

§3.1引言

§3.2 HfO2薄膜的制备工艺

3.2.1实验方案

3.2.2 HfO2薄膜的制备

§3.3 HfO2高K栅介质电学特性

3.3.1 HfO2栅介质的C-V、I-V特性及工艺条件的影响

3.3.2 HfO2栅介质层泄露电流机制

3.3.3 HfO2栅介质层的SILC效应

§3.4小结

第四章HfO2的氮化效应研究

§4.1引言

§4.2 HfON的制备

§4.3 HfON与HfO2栅介质的电学特性比较

§4.4小结

第五章结论

参考文献

致谢