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集成电路的飞速发展促使半导体材料和工艺不断更新换代,对于MOS器件栅极介质材料也提出了更高的要求,传统的SiO2栅极氧化层已逐渐不能适合工艺需求,高K氧化物材料成为这一领域的热门研究方向。本文以高K栅氧化物作为应用背景,通过射频反应磁控溅射的方法,以氧气通量、溅射时间和溅射功率为工艺参数分别在Si基片上制备了三组HfO2薄膜。运用X射线衍射分析仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、I-V/C-V测试仪、电子薄膜应力分析测试仪等对制得的HfO2薄膜样品进行了成分结构、表面形貌、电学性能及残余应力等分析。总结了HfO2薄膜的性能特点及其相互关联,探讨了不同工艺参数对于薄膜性能的影响,结果如下:一、HfO2薄膜的表面形貌特征与薄膜的残余应力和电学性能都有着密切的联系,通过改变工艺参数寻求薄膜表面形貌对于力学电学性能的影响具有重要作用。薄膜越均匀致密,表面平整度越好,薄膜的残余应力和电学性能越好。经过AFM测试分析发现,(1)HfO2薄膜的表面粗糙度随氧通量增大而减小,薄膜缺陷变少,薄膜变得均匀致密。(2)由于受到物理厚度的影响,随着溅射时间的增加HfO2薄膜表面粗糙度先增大后减小。(3)随着溅射功率增大,HfO2薄膜表面平整度变差,平均粗糙度变大。二、微观结构对于薄膜的电学性能有着直接的联系,非晶态具有更优良的电学性能,而薄膜的晶化可以使介电常数降低以及漏电流增大。经过XRD测试分析,三组HfO2薄膜的XRD图谱均表明薄膜是非晶态的,图谱中只有强度很小而半高宽较大的HfO2单斜相衍射峰。随着氧通量、溅射时间和溅射功率三组工艺参数的增大,薄膜均表现出单斜相晶化程度略有增加的情况。三、漏电流是栅氧化物薄膜的关键指标之一,不同的工艺参数通过影响HfO2薄膜的表面形貌、微观结构等,进而使薄膜的漏电流特性发生变化。(1)当栅极电压为负时,随着HfO2薄膜制备的氧通量的增大,薄膜的陷阱减少,薄膜的泄漏电流密度也减小;当栅极电压为正时,随着HfO2薄膜制备的氧通量的增大,薄膜泄漏电流呈现一定的增大趋势。(2)随着溅射时间增加,薄膜漏电流逐渐减小。尽管薄膜表面趋于平整以及结晶程度有所提高,但由于溅射时间使薄膜厚度成比例增大,这是使漏电流减小的主要原因。(3)随着溅射功率的增加,由于薄膜表面粗糙度变差以及晶相增多,薄膜漏电流随着溅射功率的增大而总体性增大。四、由于氧气通量相较于溅射时间和功率两个参数,对于薄膜成分结构和性能的影响更为显著,因此单独探讨了氧气通量对于HfO2薄膜化学组成、C-V特性以及残余应力的影响。(1)随着氧气通量增加,HfO2薄膜中氧空位的含量相应变少,氧与铪的含量比逐渐增大,通过实验计算得到氧铪比从1.653逐渐增大至1.683。(2)随着氧气通量的增加,沉积的HfO2薄膜的介电常数值从16.1增大到19.2,同时C-V曲线逐渐向电压正向移动,这说明制备的HfO2薄膜MOS结构中存在的氧化层电荷密度、界面态密度等都有所减小。(3)随着氧通量的增大,薄膜表面颗粒粗糙度减小,颗粒尺寸变大,结构趋于均匀致密,HfO2薄膜的残余应力呈减小趋势。