高k-ZrO-,2-基薄膜生長(zhǎng)行為及其穩(wěn)定性的研究.pdf

1、利用高k介電薄膜材料替代傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)層是滿足發(fā)展亞0.1μm以下尺寸的超大規(guī)模集成電路的要求，是目前微電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。ZrO2薄膜因其具有合適的介電常數(shù)、較大的禁帶寬度及與Si的導(dǎo)帶和價(jià)帶存在較大的偏置，被認(rèn)為是最有希望的替代SiO2的高k介電材料之一。為了滿足超大規(guī)模集成電路對(duì)柵介質(zhì)層的苛刻要求，尚需要改善非晶ZrO2薄膜的熱學(xué)穩(wěn)定性、薄膜與Si基體之間的界面熱學(xué)穩(wěn)定性以及表面粗糙度、薄膜均勻性等眾多問(wèn)題。 該

2、論文利用反應(yīng)射頻磁控濺射薄膜制備技術(shù)，圍繞“高k-ZrO2基薄膜生長(zhǎng)行為及其穩(wěn)定性研究”這一課題，利用原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、變角光譜橢偏儀、透射光譜儀、電子能量色散譜和C-V、I-V測(cè)量系統(tǒng)等分析技術(shù)和表征方法，系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)、退火處理對(duì)高k-ZrO2基薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、界面狀態(tài)以及電學(xué)性能的影響。 主要研究結(jié)果： 1.氧分壓對(duì)ZrO2薄膜生長(zhǎng)行為影響的研究結(jié)果表明：隨著氧分壓的增加，ZrO2薄膜微結(jié)

3、構(gòu)演化過(guò)程是a-ZrO2(非晶)→a-ZrO2+少量m-ZrO2(單斜)→m-ZrO2+t-ZrO2(四方)→m-ZrO2。氧分壓增加所引起的Zr沉積速率的下降是導(dǎo)致薄膜相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的重要原因。氧分壓對(duì)ZrO2薄膜與基體的界面厚度的影響存在一個(gè)臨界值。當(dāng)氧分壓小于臨界值時(shí)，膜基界面厚度不受氧分壓變化的影響；當(dāng)氧分壓大于臨界值時(shí)，膜基界面厚度隨氧分壓的增加而增加；氧分壓對(duì)膜基界面的影響機(jī)制與薄膜的結(jié)晶狀態(tài)有關(guān)。物理特性分析表明：薄膜的結(jié)晶狀

4、態(tài)影響著ZrO2薄膜的介電性能。在氧分壓為15％時(shí)，獲得了綜合性能良好的非晶態(tài)ZrO2介電薄膜，薄膜的相對(duì)介電常數(shù)達(dá)25、薄膜具有較大的禁帶寬度、較低的漏電流、表面平整、良好的界面穩(wěn)定性。低氧分壓下沉積的ZrO2薄膜的主要漏電流輸運(yùn)機(jī)制為Schottky發(fā)射。 2.沉積溫度對(duì)ZrO2薄膜生長(zhǎng)行為影響的研究結(jié)果表明：沉積溫度低于250℃時(shí)，ZrO2薄膜的結(jié)構(gòu)完全呈非晶態(tài)，但250℃沉積的薄膜的致密度比較高；隨著沉積溫度升高至450

5、℃，薄膜出現(xiàn)了明顯的結(jié)晶現(xiàn)象，主要為單斜ZrO2相，在晶粒堆砌間隙有非晶ZrO2相存在；沉積溫度為550℃時(shí)，ZrO2薄膜完全晶化，主要為單斜ZrO2相，在晶粒堆砌間隙有四方ZrO2相存在。在室溫至550℃的沉積溫度范圍內(nèi)，ZrO2薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制有所不同；室溫下，以無(wú)表面擴(kuò)散和近鄰原子取向擇優(yōu)生長(zhǎng)為主；250～450℃時(shí)，以有限表面擴(kuò)散為主，并導(dǎo)致平滑的表面形貌；550℃時(shí)，以晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)為主，導(dǎo)致表面粗糙度的增加。 3.在Zr

6、O2/Si膜基界面熱學(xué)穩(wěn)定性研究中，觀察到氧沿晶界擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；提出了界面反應(yīng)的氧擴(kuò)散晶界通道機(jī)制，即，在退火處理過(guò)程中，ZrO2薄膜晶化所形成的晶界是氧向基體擴(kuò)散的主要通道，是導(dǎo)致ZrO2/Si界面厚度增加的主要原因。本文提出使用Al2O3作為擴(kuò)散阻擋層來(lái)改善界面特性。研究結(jié)果顯示：Al2O3過(guò)渡層具有原子級(jí)的平整度，可以有效地阻擋氧向基體的擴(kuò)散，從而保證了ZrO2/Si界面的熱學(xué)穩(wěn)定性。 4.ZrO2基高k柵介質(zhì)薄膜的熱學(xué)

7、穩(wěn)定性研究表明：低含量Al摻雜將導(dǎo)致薄膜結(jié)晶化溫度降低，高含量Al摻雜則可以改善Zr-Al-O三元系非晶薄膜的熱學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)Zr/Al原子比為5：4時(shí)，Zr-Al-O三元薄膜為完全的非晶結(jié)構(gòu)，但存在著輕微的兩相分離，其結(jié)晶化溫度不低于800℃；Zr-Al-O三元薄膜與基體之間的界面清晰、陡直；經(jīng)過(guò)800℃退火后，薄膜與Si基體間形成了一個(gè)厚度約為3nm左右非晶界面層；電學(xué)特性研究表明：Zr-Al-O三元薄膜的最佳退火溫度為800℃，薄膜

8、在±1.5偏壓下的漏電流分別為7×10-6A/cm2(正向)和1×10-5A/cm2(反向)，同等效氧化厚度為2nm純SiO2薄膜相比，漏電流降低了近6個(gè)數(shù)量級(jí)。 5.從非晶形成能力的觀點(diǎn)，綜合高k柵介質(zhì)薄膜的介電特性，提出Zr-Al-Ti-O四元系作為柵介質(zhì)薄膜材料的可能性，并探索了Zr-Al-Ti-O四元系的薄膜優(yōu)化工藝；研究結(jié)果顯示：Zr-Al-Ti-O四元系具有非常寬的非晶成分范圍，說(shuō)明Ti摻雜有利于非晶的形成；通過(guò)優(yōu)化