微纳器件介电薄膜的制造工艺与特性研究

摘要

随着超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuits）的高速发展，晶体管尺寸越来越小，M-I-M电容密度的要求也越来越高，传统介质SiO2已逐渐不能满足日益增长的性能需求。为应对这种挑战，高介电常数（high-k）材料被引入以替代SiO2，其可以在保持等效厚度不变的条件下增加栅介质的物理厚度，大大减小直接隧穿效应和栅介质承受的电场强度，或在MIM电容应用中极大地提高电容密度。
　　本文第一部分先以CVD生长Ta2O5、ALD生长Al2O3和ZnO，制备相应样品并利用TEM及AFM进行薄膜表征，发现非晶态薄膜生长前后表面粗糙度的变化，提出“表面光滑作用”理论;再制备基于Ta2O5薄膜的MIM器件，测量其电学特性，并结合“表面光滑作用”解释I-V曲线不对称性的形成原因，最后测量不同温度条件下电学特性以厘清漏电机理。
　　本文第二部分针对La2O3与CeO2薄膜，首先利用XPS研究La2O3/Si结构样品在快速热退火处理后不同深度处的化学组成及化学键变化。实验结果表明500℃热退火会导致基底Si原子深入到La2O3薄膜内部，在界面和薄膜主体处反应生成硅酸盐，造成薄膜性能退化。再研究CeO2/La2O3堆垛结构中不同深度处化学组分和成键类型。通过分析Ce3d、La3d、Si2s和O1s的光电子能谱，发现La原子能扩散进入到CeO2薄膜中，在CeO2/La2O3界面处形成Ce-La混合氧化物，CeO2薄膜中共存有Ce3+和Ce4+离子。此外与单纯的La2O3/Si样品相比，CeO2/La2O3/Si样品在La2O3/Si发生大范围的Si氧化反应，这是由于向外扩散的La原子促进CeO2中还原反应的发生，是其提供更多额外的O原子。这些O原子能帮助降低La2O3薄膜中氧空位的含量，抑制界面处La-Si键的形成。

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摘要

缩略词表

1 绪论

1．1 引言

1．2 介电薄膜的应用背景

1．3 商K栅介质的选择

1．3．1 Si3N4和SiOxNy

1．3．2 IVB元素(Ti、Zr、Hf)氧化物

1．3．3 IIIA元素(Al)氧化物

1．3．4 IIIB族金属(Y、La)氧化物

1．3．5 VB族金属(Ta)氧化物

1．4 论文的研究目的和内容

2 介质薄膜的漏电机理分析

2．1 介质薄膜的导电机理

2．2 电极限制型导电机理

2．2．1 肖特基(或热商子)发射

2．2．2 F-N隧穿

2．2．3 直接隧穿

2．2．4 热离子场发射

2．3 体限制型导电机理

2．3．1 普尔-法兰克发射

2．3．2 跃迁传导

2．3．3 欧姆电导

2．3．4 空间电荷限制电导

2．3．5 育子电导

3 Ta2O5薄膜特性研究

3．1 薄膜制备方法

3．1．1 直流磁控溅射

3．1．2 化学气相沉积

3．1．3 原子层淀积

3．2 薄膜生长及其表征方法

3．3 实验中样品的制备

3．3．1 DC Sputtering制备W电极

3．3．2 ALD制备Al2O3/ZnO薄膜

3．3．3 CVD制备Ta2O5薄膜

3．4 Ta2O5薄膜特性分析

3．4．1 表面光滑作用

3．4．2 电学特性分析

4 CeO2与La2O3薄膜特性研究

4．1 La2O3／Si的热稳定性研究

4．2 CeO2／La2O3／Si的XPS研究

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及在学校期间所取得的科研成果