Hf基高k材料的物性表征.pdf

1、國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)預(yù)言了先進(jìn) Complementary Metal-Oxide．Semiconductor(CMOS)器件尺寸縮減的趨勢(shì)。當(dāng)柵層的等效氧化厚度小于1.5nm時(shí)，傳統(tǒng)的SiO<,2>材料已經(jīng)達(dá)到了物理極限，由量子遂穿效應(yīng)引起的漏電流在這個(gè)尺度內(nèi)，將會(huì)隨厚度減小而呈指數(shù)式增加。因此，使用高k(介電常數(shù))材料來(lái)取代SiO<,2>是目前半導(dǎo)體工藝發(fā)展的趨勢(shì)。因?yàn)樵谙嗤碾娙葜档那闆r下，高k材料具有更厚的厚度，可以有

2、效地減小漏電流的發(fā)生。同時(shí)，因?yàn)殚y值電壓反比于柵介質(zhì)的介電常數(shù)，所以高k材料還具有較低閥值電壓，從而有助于提高整體器件的靈敏性。但是，對(duì)于合適的高k材料的選取要求比較嚴(yán)格。比如介電常數(shù)要適中，不宜過(guò)高。因?yàn)檫^(guò)高的介電常數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致帶寬的減小，從而增加了漏電流。另外還要求高k材料與硅接觸有良好的熱穩(wěn)定性等等。在眾多的高k材料中，Hf02是公認(rèn)的最具前景的替代SiO<,2>的柵介質(zhì)材料，HfO<,2>和Hf基介質(zhì)材料因而受到了人們廣泛的關(guān)注

3、。 本篇論文的工作主要集中在HfO<,2>和HfON高k介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)上，同時(shí)對(duì)HfO<,2>高k材料的光致發(fā)光以及場(chǎng)發(fā)射特性進(jìn)行了初步的研究。利用濺射實(shí)驗(yàn)方法的特點(diǎn)，制備了具有良好電學(xué)性質(zhì)的HfON-HfO<,2>-HfON結(jié)構(gòu)的堆棧薄膜。HfON是HfO<,2>同HfN之間的過(guò)渡化合物，由于它特殊的性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并初步分析了其與多孔硅，稀土發(fā)光材料結(jié)合的發(fā)光現(xiàn)象，以及HfON自身場(chǎng)發(fā)射現(xiàn)象的原因。具體如下： 1．

4、Hf基高k材料的電學(xué)性質(zhì)。首先設(shè)計(jì)并制備了HfON-HfO<,2>-HfON堆棧結(jié)構(gòu)，通過(guò)其與純HfON和HfO<,2>性質(zhì)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它除了具有良好的電學(xué)特性，還具有較好的阻擋氧擴(kuò)散的能力。同時(shí)，因?yàn)榫哂兄苽浜?jiǎn)單，未引入新的雜質(zhì)元素的特點(diǎn)，適宜于大規(guī)模工藝的應(yīng)用。其缺點(diǎn)在于如何進(jìn)一步控制三層之間的界面分界與相關(guān)層的厚度。 電荷陷阱一直被認(rèn)為是阻擋Hf基材料在CMOS技術(shù)中應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。比如它會(huì)導(dǎo)致閥值電壓的不穩(wěn)定和遷移率

5、的降低。通過(guò)測(cè)量C-V性質(zhì)的變化，以及分析萃取的閥值電壓，平帶電壓，可以表征其基本情況。這篇論文對(duì)影響高k柵介質(zhì)的電荷陷阱的性質(zhì)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)電容-電壓特性，以及漏電流特性的測(cè)試，分析了陷阱俘獲和釋放過(guò)程，并且對(duì)制備的高k薄膜的陷阱能級(jí)進(jìn)行了分析。同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)便有效的厚度變動(dòng)對(duì)電學(xué)性質(zhì)的影響分析，對(duì)陷阱缺陷的分布做了粗略的推斷。 2．Hf基材料的光致發(fā)光同場(chǎng)發(fā)射特性。Hf基材料具有廣泛的應(yīng)用。本論文在對(duì)Hf基材料的高k性質(zhì)進(jìn)行研究的