ALD方法制备的超薄HfO材料的电学特性

摘要

CMOS器件按比例缩小要求SiO2绝缘层厚度越来越小，导致栅极漏电流急剧增加，器件的可靠性下降。高介电常数栅介质二氧化铪（HfO2）的应用可以解决SiO2作为栅介质所面临的问题，本文将讨论HfO2做为栅介质的可靠性问题。 本论文首先介绍了原子层淀积（ALD）工艺的原理和特点，利用该工艺可以淀积出高质量HfO2薄膜介质。接着讨论了MOS电容结构的理想和实际C-V特性，分析氧化层中存在的各种电荷和缺陷，以及金属半导体功函数差，对MOS结构的实际C-V特性的影响；讨论了超薄氧化层的漏电流传导机制。针对汞探针在测量C-V特性的过程中存在的频率色散问题，采用了新的模型。在该模型中加入汞探针与HfO2薄膜之间的界面效应参数，并且给出了各模型中各参数的提取方法。利用该模型修正下的实验曲线，消除了频率色散。最后，使用该方法对HfO2介质薄膜的特性进一步进行研究：中间SiO2层、高温退火的影响、多晶硅栅淀积前后介质特性等。 最后，在实验室条件下制备出不同等效氧化层厚度（EOT）的样品，并在不同的温度条件下进行退火实验，测得各样品的C-V和I-V特性曲线。结果表明，原子层淀积（ALD）工艺制备的超薄HfO2栅介质的具有良好的电容特性和漏电流特性，高温退火可以降低氧化层中的缺陷，但是800℃退火，HfO2会产生结晶现象。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1影响阈值电压的短沟效应

1.1.2超薄栅氧化层的问题

1.1.3量子效应

1.1.4影响器件寿命的热载流子效应

1.1.5多晶硅耗尽效应

1.2高介电常数栅介质的特性

1.2.1高介电常数栅介质的优越性

1.2.2 HfO2非晶态与热稳定性

1.2.3 HfO2作为高k栅介质仍存在的问题

1.3本文的主要研究工作及内容安排

第二章MOS结构电学特性的基本理论

2.1 ALD制备工艺原理及特点

2.1.1 ALD淀积工艺原理

2.1.2原子层沉积对反应前体的要求

2.1.2原子层沉积技术与PVD及CVD方法的比较

2.1.3原子层淀积技术的应用

2.1.4原子层淀积技术未来的发展

2.2 MOS电容基本理论

2.2.1近似法分析理想MOS结构的C-V特性

2.2.2实际MOS结构的C-V特性

2.3超薄氧化层漏电流传导机制

2.3.1 Direct Tunneling理论

2.3.2 Fowler Nordheim隧穿电流

2.3.3 P-F效应理论

第三章汞探针C-V分析

3.1汞探针测量超薄介质模型

3.2利用汞探针研究超薄栅介质特性

3.2.1 SiO2中间过度层

3.2.2淀积后退火对样品特性的影响

3.2.3多晶硅栅工艺对介质的影响

3.3小结

第四章MOS结构的实验测试与分析

4.1可靠性测试系统

4.1.1 Keithley 82-WIN同步C-V测试系统

4.1.2 HP4156B高精度半导体参数分析仪

4.1.3汞探针与SIGATONE S1160探针台

4.2 MOS结构C-V测量原理

4.3实验样品的制备

4.3.1表面清洗

4.3.2 HfO2薄膜的淀积及表面和界面测量

4.3.3背面电极和栅电极的制作

4.4 C-V特性测量与分析

3.4 I-V特性测量与分析

4.5 小结

第五章结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果