相调制型光谱椭偏仪校准及HfO2超薄膜表征

摘要

随着半导体器件需求不断提高，薄膜制备工艺逐步成熟，科研工作者的研究方向也逐步由常规厚度HfO2薄膜的性能改善转变为10 nm以下的超薄膜的性能研究。而对HfO2超薄膜的物理表征是所有研究工作展开的基础，只有准确的对HfO2超薄膜的物理特征进行表征，才能保证超薄膜性能研究及性能改善研究的顺利进行，使得超薄膜性能更稳定功能更广泛。同时，准确表征HfO2超薄膜也是薄膜制备工艺改进的基础。准确的物理表征才能为制备工艺提供可靠的工艺改进依据，提高超薄膜制备工艺，从而获得更高质量的薄膜。本论文对HfO2超薄膜进行表征，获得其薄膜厚度、膜层结构和成分。
　　为保证薄膜厚度表征的准确性，实验前对相调制型光谱椭偏仪进行校准。对光谱仪的光路、光学元件和参数进行调整，使仪器达到最佳状态。并用SiO2膜厚标准物质对校准后仪器的测量结果进行检验。结果表明经过校准椭偏仪测量SiO2膜厚标准物质结果在标准物质不确定度范围内，校准后的仪器状态良好。
　　校准后研究将标准物质膜厚量值准确传递给椭偏仪的影响因素，从而将光谱椭偏仪的测量结果溯源到SI国际单位。结果表明用S iO2标准物质作为光谱椭偏仪测量对象，进行标准物质量值传递时中心位置等效，测量区域、测量位置、测量时间及人员不会对测量结果产生影响。
　　光谱椭偏仪对HfO2超薄膜样品进行测量，通过建模拟合得到样品厚度和光学常数。高分辨透射电镜对样品横截面进行分析，对光谱椭偏仪测得的厚度值进行验证。样品A的HfO2薄膜厚度约为2.60 nm，632.80 nm激光波长测量时折射率为1.951；样品B的HfO2薄膜厚度约为2.70 nm，HfO2薄膜与基底之间的界面层厚度为1.00 nm左右，632.80 nm激光波长测量时HfO2薄膜折射率为1.886。
　　掠入射X射线反射仪对HfO2超薄膜进行测量，IMD拟合软件对测量结果拟合分析，获得HfO2膜层结构及各层厚度值。样品A的膜层结构是；两部分污染层、界面层1、HfO2层、界面层2组成；样品B的膜层结构是；两部分污染层、界面层1、HfO2层、界面层2和自然氧化层组成。
　　通过样品清洗及X射线光电子能谱分析确定HfO2膜层成分。样品A、B表面都存在较厚的污染层，主要是碳颗粒和少量有机物。这些污染物可以通过异丙醇超声清洗去除，三次清洗可以有效去除表面污染物。两组样品HfO2膜层与Si基底之间都存在Hf-Si-O键，A样品由于制备前基底表面不存在自然氧化层SiO2所以未形成硅酸铪HfSixOy膜层，样品B的界面层是自然氧化层SiO2反应形成的硅酸铪HfSixOy。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1. 1 集成电路发展过程

1. 2 集成电路发展面临的挑战

1. 3 高介电常数栅介质材料

1.4 HfO2的结构和性质

1.5 HfO2的研究现状

1. 6 超薄膜简介

1. 7 椭偏仪的产生与发展

1. 8 椭偏仪的应用

1. 9 本论文的主要研究工作

第二章 实验方案及样品制备

2. 1 实验方案

2. 2 实验仪器简介

2. 3 HfO2薄膜样品的制备

2. 4 HfO2超薄膜TEM检测样品的制备

第三章 相调制型光谱椭偏仪（ SE ）校准及检验

3. 1 仪器结构简介

3. 2 相调制型光谱椭偏仪的测量原理

3. 3 仪器校准

3. 4 校准结果检验

3. 5 本章小结

第四章 标准物质量值传递给光谱椭偏仪有效性研究

4. 1 量传需求

4. 2原理说明

4. 3结果分析

4. 4 本章小结

第五章 HfO2超薄膜厚度测量与分析

5.1 光谱椭偏仪（SE）对HfO2薄膜测量与分析

5.2 高分辨透射电镜(TEM)对HfO2薄膜测量与分析

5. 3 本章小结

第六章 HfO2超薄膜的膜层结构与成分分析

6.1 掠入射X射线反射（GIXRR）对薄膜结构分析

6.2 X射线光电子能谱（XPS）对膜层成分分析

6. 3 本章小结

第七章 结论与展望

7. 1 论文工作总结

7. 2 不足与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及研究成果

致谢