原子層淀積高k材料的光學特性研究.pdf

1、隨著半導體行業(yè)的不斷發(fā)展，集成電路芯片的密度隨之增大，晶體管的溝道長度和柵介質的厚度也不斷縮小。當傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質的厚度小于1.4nm時，由隧穿引發(fā)的漏電流急劇增大，導致器件的功耗增大到了一個不可接受的水平，需要尋找擁有高介電常數(shù)的、物理厚度大的新材料薄膜來取代 SiO2作為柵介質材料。在所有的制備柵薄膜的方法中，原子層淀積技術具有獨特的優(yōu)越性，所制備的薄膜組分一致性非常高。在本文中，主要對原子層淀積技術制備的Nd2O3, HfO2

2、和(HfO2/Al2O3)納米介質膜的光學特性進行了研究，主要的研究內容如下：
　　1. Nd2O3光學特性和工藝相關性研究。首先分析了不同工藝條件下制備的Nd2O3介質材料的特性，得到了采用ALD方式制備 Nd2O3介質膜的優(yōu)化工藝條件如下：Nd(thd)3氣化溫度：185oC，生長溫度范圍：300-320oC，金屬前驅體 Nd(thd)3的脈沖時間大于0.5s。接著，研究了Nd2O3介質膜的光學特性和退火溫度的關系。發(fā)現(xiàn)材料的

3、折射率指數(shù)和高頻介電常數(shù)都隨著退火溫度的升高減小，而材料的帶隙能值隨著退火溫度的升高而增大。最后，分析了薄膜淀積后高溫退火對Nd氧化物的界面化學態(tài)和能帶排列的影響。通過研究元素Nd3d、O1s和Si2p的XPS核心結合能譜隨退火溫度的變化，發(fā)現(xiàn)界面的Nd硅酸鹽結構隨著退火溫度的不斷升高，逐步由Nd2SiO5結構向Nd2Si2O7結構轉變。并且，Nd2O3介質膜的直接帶隙能值隨著退火溫度的升高逐步增大。同時，計算得到Nd2O3介質模和硅襯

4、底之間的價帶和導帶差都大于1eV。分析結果表明，Nd2O3介質膜具有合適的帶隙能值，并硅襯底之間具有合適的能帶差，可以作為高K材料的應用。
　　2. HfO2光學特性和厚度及氧化劑的相關性研究。首先，研究了HfO2薄膜的光學特性和介質材料厚度的關系，分析結果表明，當采用去離子水作為氧化劑時，預淀積膜的介電函數(shù)的實部值(ε1)隨著淀積周期數(shù)的增大而增大，而當?shù)矸e周期數(shù)增大到一定程度(大于65周期)后，ε1值幾乎不再隨著淀積周期數(shù)變化

5、而變化。同時材料的帶隙能值也隨著材料膜厚度的增大而減小。而當采用臭氧作為氧化劑時，材料的光學特性并沒有隨著膜厚的變化而表現(xiàn)出相似的變化趨勢。可以看出，氧化劑對于材料的光學特性有著很大的影響。接著，文中以淀積周期數(shù)為52的樣品為例，深入研究了氧化劑的不同對于介質材料光學特性的影響。分析發(fā)現(xiàn)，水基的HfO2具有較大的ε1值。進一步仔細研究材料的介電函數(shù)的虛部(ε2)，發(fā)現(xiàn)臭氧基的介質材料，除了來自硅襯底的吸收特性峰值外，其在帶隙能值內，吸收

6、特性峰最少。此外，臭氧基的HfO2材料具有較大的高頻介電函數(shù)、直接和間接帶隙能值。值得注意的是，無論是采用臭氧還是去離子水作為氧化劑，所得到的材料和硅襯底之間的價帶差和導帶差都比較大，這說明，原子層淀積技術淀積HfO2介質材料時，無論采用水還是臭氧作為氧化劑，其得到的材料都能和硅襯底之間形成足夠高的勢壘，從而抑制電子和空穴隧穿。
　　3.不同結構 HfO2/Al2O3納米層的光學特性研究。文中分別對三種結構的HfO2/Al2O3納

7、米介質層進行了分析研究。首先，分析了(HfO2/Al2O3)x疊柵結構中， HfO2/Al2O3疊層厚度對整體介質膜的影響。分析結果表明介電函數(shù)的實部和虛部都隨著 HfO2/Al2O3疊層厚度的減小而減小。進一步分析發(fā)現(xiàn)，材料的光學帶隙能值并沒有隨著 HfO2/Al2O3疊層厚度的減小而發(fā)生太大的變化。同時，計算所得的材料的相對介電常數(shù)也變化不大。接著，分析了當Al2O3插入層位于Al2O3/HfO2疊柵中的不同位置時，對疊柵的特性的影

8、響。發(fā)現(xiàn)當Al2O3插入層位于中間層時，其疊柵的ε1值最大。通過 XPS分析材料的價帶譜發(fā)現(xiàn)，Al2O3/HfO2疊柵和襯底之間的價帶差和導帶差都大于1eV。最后，研究了在HfO2中添加Al組分對介質材料光學特性的影響。發(fā)現(xiàn)未摻雜的HfO2介質膜在經(jīng)過500oC高溫退火后就出現(xiàn)了結晶現(xiàn)象。當在介質膜中引入Al組分，Al-HfO2介質膜可以在700oC高溫退火后，依然保持無定形態(tài)。特別是，預淀積的[1Al2O3+5HfO2]薄膜，其光學特