高k-ZrO基薄膜生长行为及其稳定性的研究

摘要

利用高k介电薄膜材料替代传统的SiO2栅介质层是满足发展亚0.1μm以下尺寸的超大规模集成电路的要求，是目前微电子领域的研究热点之一。ZrO2薄膜因其具有合适的介电常数、较大的禁带宽度及与Si的导带和价带存在较大的偏置，被认为是最有希望的替代SiO2的高k介电材料之一。为了满足超大规模集成电路对栅介质层的苛刻要求，尚需要改善非晶ZrO2薄膜的热学稳定性、薄膜与Si基体之间的界面热学稳定性以及表面粗糙度、薄膜均匀性等众多问题。 该论文利用反应射频磁控溅射薄膜制备技术，围绕“高k-ZrO2基薄膜生长行为及其稳定性研究”这一课题，利用原子力显微镜、透射电子显微镜、变角光谱椭偏仪、透射光谱仪、电子能量色散谱和C-V、I-V测量系统等分析技术和表征方法，系统研究了沉积参数、退火处理对高k-ZrO2基薄膜的表面形貌、微观结构、界面状态以及电学性能的影响。 主要研究结果： 1.氧分压对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明：随着氧分压的增加，ZrO2薄膜微结构演化过程是a-ZrO2(非晶)→a-ZrO2+少量m-ZrO2(单斜)→m-ZrO2+t-ZrO2(四方)→m-ZrO2。氧分压增加所引起的Zr沉积速率的下降是导致薄膜相结构转变的重要原因。氧分压对ZrO2薄膜与基体的界面厚度的影响存在一个临界值。当氧分压小于临界值时，膜基界面厚度不受氧分压变化的影响；当氧分压大于临界值时，膜基界面厚度随氧分压的增加而增加；氧分压对膜基界面的影响机制与薄膜的结晶状态有关。物理特性分析表明：薄膜的结晶状态影响着ZrO2薄膜的介电性能。在氧分压为15％时，获得了综合性能良好的非晶态ZrO2介电薄膜，薄膜的相对介电常数达25、薄膜具有较大的禁带宽度、较低的漏电流、表面平整、良好的界面稳定性。低氧分压下沉积的ZrO2薄膜的主要漏电流输运机制为Schottky发射。 2.沉积温度对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明：沉积温度低于250℃时，ZrO2薄膜的结构完全呈非晶态，但250℃沉积的薄膜的致密度比较高；随着沉积温度升高至450℃，薄膜出现了明显的结晶现象，主要为单斜ZrO2相，在晶粒堆砌间隙有非晶ZrO2相存在；沉积温度为550℃时，ZrO2薄膜完全晶化，主要为单斜ZrO2相，在晶粒堆砌间隙有四方ZrO2相存在。在室温至550℃的沉积温度范围内，ZrO2薄膜的生长机制有所不同；室温下，以无表面扩散和近邻原子取向择优生长为主；250～450℃时，以有限表面扩散为主，并导致平滑的表面形貌；550℃时，以晶粒择优生长为主，导致表面粗糙度的增加。 3.在ZrO2/Si膜基界面热学稳定性研究中，观察到氧沿晶界扩散的实验现象；提出了界面反应的氧扩散晶界通道机制，即，在退火处理过程中，ZrO2薄膜晶化所形成的晶界是氧向基体扩散的主要通道，是导致ZrO2/Si界面厚度增加的主要原因。本文提出使用Al2O3作为扩散阻挡层来改善界面特性。研究结果显示：Al2O3过渡层具有原子级的平整度，可以有效地阻挡氧向基体的扩散，从而保证了ZrO2/Si界面的热学稳定性。 4.ZrO2基高k栅介质薄膜的热学稳定性研究表明：低含量Al掺杂将导致薄膜结晶化温度降低，高含量Al掺杂则可以改善Zr-Al-O三元系非晶薄膜的热学稳定性。当Zr/Al原子比为5：4时，Zr-Al-O三元薄膜为完全的非晶结构，但存在着轻微的两相分离，其结晶化温度不低于800℃；Zr-Al-O三元薄膜与基体之间的界面清晰、陡直；经过800℃退火后，薄膜与Si基体间形成了一个厚度约为3nm左右非晶界面层；电学特性研究表明：Zr-Al-O三元薄膜的最佳退火温度为800℃，薄膜在±1.5偏压下的漏电流分别为7×10-6A/cm2(正向)和1×10-5A/cm2(反向)，同等效氧化厚度为2nm纯SiO2薄膜相比，漏电流降低了近6个数量级。 5.从非晶形成能力的观点，综合高k栅介质薄膜的介电特性，提出Zr-Al-Ti-O四元系作为栅介质薄膜材料的可能性，并探索了Zr-Al-Ti-O四元系的薄膜优化工艺；研究结果显示：Zr-Al-Ti-O四元系具有非常宽的非晶成分范围，说明Ti掺杂有利于非晶的形成；通过优化薄膜中Zr/Al原子配比，获得了具有均匀非晶相的Zr-Al-Ti-O四元系薄膜，其结晶化温度不低于850℃，且能够保证薄膜的介电常数保持在适当高的数值。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1引言

1.2电介质及其极化的微观机理

1.3高k栅介质材料研究背景

1.3.1金属-氧化物-半导体场效应晶体管的工作原理

1.3.2 SiO2栅介质减薄所带来的问题

1.3.3 SiO2栅介质性能的改进——氮氧硅栅介质

1.3.4高k栅介质材料

1.4高k栅介质材料研究现状

1.4.1 ⅢA(Al)和ⅢB(Y、La、Gd)金属氧化物

1.4.2 VB(Ta)金属氧化物

1.4.3 VIB(Ti、Zr、Hf)金属氧化物

1.5 ZrO2基高k栅介质材料

1.5.1 ZrO2薄膜的结构、特性和应用前景

1.5.2 ZrO2基高k栅介质薄膜的研究现状

1.6 ZrO2基栅介质薄膜制备技术概述

1.6.1化学气相沉积(CVD)

1.6.2物理气相沉积(PVD)

1.7本论文研究目的及主要内容

2 ZrO2 介电薄膜的制备、表征及其工艺探索

2.1引言

2.2反应射频磁控溅射技术制备ZrO2薄膜

2.2.1反应溅射法及其基本原理

2.2.2薄膜沉积系统

2.2.3衬底的清洗

2.3薄膜的表征方法

2.3.1变角光谱椭偏仪测量ZrO2薄膜的厚度

2.3.2 ZrO2薄膜透射光谱的数据分析

2.3.3 ZrO2薄膜的微结构表征

2.3.4 ZrO2薄膜的表面形貌表征

2.3.5 ZrO2薄膜的电学性能测试

2.4放电条件对射频磁控溅射成膜空间中等离子体成分的影响

2.4.1光谱分析基本原理及实验装置

2.4.2原子发射光谱谱线标定及谱线强度分析

2.4.3放电条件对各元素谱线强度影响

2.5本章小结

3 ZrO2薄膜生长特性及其性能的研究

3.1引言

3.2 ZrO2薄膜的制备工艺

3.3 ZrO2薄膜生长特性的研究

3.3.1氧分压对ZrO2薄膜表面形貌的影响

3.3.2氧分压对ZrO2薄膜微观结构的影响

3.3.3氧分压对ZrO2薄膜界面稳定性的影响

3.4 ZrO2薄膜的物理特性

3.4.1氧分压对ZrO2薄膜动态介电系数和光学禁带宽度的影响

3.4.2氧分压对ZrO2薄膜C-V特性的影响

3.4.3 ZrO2薄膜Ⅰ-Ⅴ特性及其漏电流输运机制分析

3.5本章小结

4温度对ZrO2薄膜生长行为及ZrO2/Si界面稳定性影响的研究

4.1引言

4.2实验过程

4.3沉积温度对ZrO2薄膜生长行为的影响

4.3.1沉积温度对ZrO2薄膜微结构的影响

4.3.2沉积温度对ZrO2薄膜表面形貌的影响及其演化动力学生长行为

4.3.3沉积温度对ZrO2薄膜光学常数的影响

4.4 ZrO2薄膜的界面稳定性研究

4.4.1退火对ZrO2薄膜表面形貌的影响

4.4.2ZrO2薄膜/Si衬底界面层的XTEM分析

4.4.3 ZrO2/Si界面层的SE分析

4.4.4 ZrO2薄膜/Si衬底界面反应微观机制

4.5 Al2O3扩散阻挡层对界面层稳定性的作用

4.5.1含Al2O3扩散阻挡层的ZrO2薄膜的XTEM分析

4.5.2含Al2O3扩散阻挡层的ZrO2薄膜表面形貌及标度分析

4.6本章小结

5 ZrO2基多组元介电薄膜的微观结构及其热稳定性

5.1引言

5.2 Zr-Al-O三元系介电薄膜的微结构及其稳定性

5.2.1Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)薄膜的制备及其表征

5.2.3Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)薄膜的成份

5.2.4Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)薄膜的微结构

5.2.5Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)薄膜的热学稳定性

5.2.6不同含量Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)薄膜的光学性能

5.2.7Al掺杂氧化锆(ZrAlxOy)超薄薄膜的界面稳定性及漏电特性

5.3Al、Ti共掺杂ZrO2基四元系薄膜

5.3.1Al、Ti共掺杂ZrO2基四元系薄膜的制备及表征

5.3.2 Al、Ti共掺杂ZrO2基四元系薄膜的成分分析

5.3.3Al、Ti共掺杂ZrO2基四元系薄膜的微结构

5.3.4Al、Ti共掺杂ZrO2基四元系薄膜的热学稳定性

5.4本章小结

结论

尚存在的问题及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢