基于二氧化铪的高介电常数薄膜的制备与研究

摘要

随着集成电路的快速发展，作为微电子学的一个关键器件——MOSFET，其特征尺寸不断缩小，但随之带来一系列问题。其中最引人关注的是，当等效氧化物厚度小于1.5nm时，作为传统栅介质的SiO2将达到物理极限，漏电流将呈指数增加，影响了器件的稳定性和可靠性，成为制约集成电路继续发展的瓶颈。为了解决这个问题，需要寻找新的高介电常数的栅介质材料来替代传统的SiO2，新的栅介质材料要求必须有合适的k值，良好的热力学稳定性，大禁带宽度，并且能够与传统CMOS工艺的兼容。HfO2由于优越的性能而被认为是SiO2栅介质材料的最好替代物之一。
　　 本实验分别采用直流反应磁控溅射和激光脉冲沉积制备HfO2、Hf1-xZrxO、Hf1-xAlxO、Hf1-xSixO薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、LCR电桥和半导体参数测试仪等测试手段对不同工艺条件下制备的薄膜进行表征和分析。
　　 本论文的研究结果如下：
　　 1.经不同氧氩比和不同衬底温度下制备的HfO2薄膜为单斜晶型或斜方晶型，而金属膜后退火制备的HfO2薄膜为单斜晶型；薄膜的漏电流机制由F-P发射和Schottky发射共同决定；经500℃金属膜后退火制备的HfO2薄膜的漏电流最小，即在-1V偏压下，漏电流为1.26×10-7A/cm2；在不同氧氩比下制备所得的HfO2薄膜相对介电常数为20.01～25.56，在不同衬底温度下制备所得的HfO2薄膜相对介电常数为21.15～25.47，金属膜后退火制备的HfO2薄膜相对介电常数为17.76～23.30。
　　 2.利用磁控溅射法和激光脉冲沉积法分别制备不同掺杂量的Hf1-xZrxO薄膜、Hf1-xAlxO薄膜和Hf1-xSixO薄膜。经研究发现，Al掺杂时薄膜的结晶温度提高到900℃，Si掺杂制备的薄膜经500℃～900℃退火后仍为非晶膜，Zr掺杂对薄膜结晶温度没有影响；薄膜的漏电流发射机制为F-P发射和Schottky发射共同决定；其中Hf1-xAlxO薄膜的漏电流最小，即800℃退火的薄膜，在-1V偏压下，漏电流为1.99×10-8A/cm2。