高K栅介质Al2O3薄膜的力学及电学特性研究

摘要

本课题拟研究新型高介电常数Al2O3薄膜材料来替代SiO2传统栅氧化层,分别采用电子束蒸发和射频磁控溅射两种方法,制备了不同工艺条件下的高K氧化物Al2O3薄膜。通过对薄膜的晶体结构、表面形貌、力学和电学特性的研究分析,结合经典力学、电学理论,探讨了它们之间的相互影响和内在联系。
　　一.磁控溅射制备Al2O3薄膜:
　　(1)改变磁控溅射的时间(12min、24min、36min和48min),随着沉积时间的增加,薄膜表面晶粒的大小和高度上都出现了增加,柱状晶粒也变得明显。同时伴随着薄膜厚度的增加,薄膜的表面粗糙度RMS也增大。但是薄膜的应力表现为随着沉积时间或颗粒尺寸增加而减小的趋势,我们用Doljiak模型给出了解释分析。
　　(2)改变磁控溅射的功率(100W、150W、200W、250W和300W),溅射功率的增加使得薄膜的沉积速度明显增大。溅射功率的改变对Al2O3膜的RMS和颗粒大小影响很大,高的溅射功率导致了更大的薄膜的粗糙度,但是却带来了更多的缺陷和生长应力。
　　二.电子束蒸发制备Al2O3薄膜,改变基片的温度(500°C、600°C、700°C、800°C),不同基片温度下的薄膜都呈现为非晶态。
　　(1)在相同的沉积时间下,随着基片温度的增加,薄膜厚度越来越大。500°C温度下制备的薄膜膜面较为平滑,颗粒较小,薄膜表面有少量杂质存在;当基片温度到达800°C时,薄膜晶粒的尺寸和起伏高度都变大,晶粒之间的空隙被Al2O3填充。薄膜粗糙度RMS在1-6nm之间,高温下层状和岛状生长导致的薄膜厚度增加和颗粒高度起伏增加共同作用,同时高基片温度带来的缺陷漏洞,共同导致了RMS的增大。
　　(2)整组样品的残余应力都为正值,氮气中退火能有效的降低Al2O3薄膜的应力值。退火前,500°C时薄膜的应力值为526MPa的拉应力,随着基片温度升高残余拉应力逐渐增大,在800°C到达1391MPa。不同的热膨胀系数是导致应力产生的主要原因,用Stoney公式对薄膜的应力进行了定量分析。
　　三.Al2O3薄膜电学性能的研究:
　　(1)在同一基片温度下,随着电压的增加,薄膜的漏电流值都出现了上升;在同一测试电压下,随着基片温度的升高,薄膜的漏电流值越来越大,在800°C时漏电流达到最大值。更高的基片温度带来了界面态和氧化物陷阱的增加,而缺阱能级能减小隧穿的势垒高度和宽度,从而带来更大的漏电流。同时由于应力导致的晶格常数畸变会引起薄膜的禁带宽度发生改变,从而影响薄膜的电学性能。
　　(2)在同一测试频率中,薄膜的C-V曲线在积累区薄膜电容随着基片温度的升高而增大,在400°C时电容值仅为2×10-10F,而当温度升高到800°C时,电容值达到了7×10-10F;在同一温度下,随着测试频率的增加,薄膜的C-V曲线在积累区薄膜电容明显下降,这是由于电介质分子在不同频率下不同的电极化机制导致的。
　　(3)计算得到不同基片温度下的介电常数,薄膜介电常数K从500°C时的9.2增加到800°C的10.3。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 高介电常数Al2O3薄膜的概述

1.3 Al2O3薄膜国内外研究

1.4 课题主要研究内容

第二章 薄膜微观结构、力学和电学理论

2.1 薄膜的表面形貌及AFM分析

2.2 薄膜厚度

2.3 薄膜的力学性能

2.4 薄膜的电学性能介绍

第三章 磁控溅射制备Al2O3薄膜及相关性能

3.1 薄膜的制备

3.2 溅射时间对Al2O3薄膜性能的影响

3.4 本章小结

第四章 电子束蒸发制备Al2O3薄膜及相关性能

4.1 薄膜的制备

4.2 薄膜的性质分析

4.3 不同制备工艺对Al2O3薄膜的影响

4.4 本章小结

第五章 高K栅介质材料Al2O3薄膜电学性能分析

5.1 MOS结构中的各种缺陷电荷

5.2 漏电流的测试及与应力的关系

5.3 Al2O3氧化层介电常数K的计算

5.4 本章小结

第六章 结 论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的科研成果