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《复旦大学》 2008年
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表面后处理对原子层淀积HfO_2介质的高密度MIM电容性能改善研究

黄宇健  
【摘要】: 本文采用原子层淀积(ALD)技术,以四(乙基甲胺基)铪(TEMAH)与去离子水(H_2O)为反应源,制备了高介电常数HfO_2介质薄膜,研究了各种表面后处理方法对HfO_2介质金属—绝缘体—金属(MIM)电容的性能改进,通过物理的和电学的测试分析,对介质材料和MIM电容特性进行了表征。 论文首次提出采用CF_x等离子体对HfO_2介质表面进行处理来改善MIM电容的性能。结果发现等离子体氟化处理后,介质表面的粗糙度稍微增加,但仍然保持在较小的水平,表明等离子体表面处理没有明显损伤介质薄膜。XPS分析表明,CF_x等离子体处理后,氟原子进入到HfO_2介质中并形成了Hf-F键,从而降低了介质中的氧空位数量,然而碳并没有被引入到介质中。电学测量表明等离子体处理后MIM电容密度从9.76 fF/μm~2增加到10.17 fF/μm~2。氟化处理对100 kHz下MIM的电容—电压线性度影响不大,处理前后的二次电压系数分别为1260 ppm/V~2和1200 ppm/V~2。此外,发现二次电压系数与频率的对数呈线性关系,氟化处理使其变化率减小。等离子体氟化后,MIM电容的漏电流密度在2V时减小了约一个数量级,达到1.39×10~(-8)A/cm~2。 其次,论文研究了HfO_2介质的氨气热退火处理对其MIM电容性能的影响,结果揭示了少量的氮元素引入到介质中,降低了电容密度,即从8.16 fF/μm~2减小到7.10 fF/μm~2。然而,微量的氮掺入对MIM电容的漏电和电压线性度有明显改善,在2V时漏电流从1.18×10~(-7)A/cm~2降到3.41×10~(-8)A/cm~2,二次电压系数从1430 ppm/V~2减小到20分钟氮化后的555 ppm/V~2。这说明在NH_3中退火能有效地钝化HfO_2介质中的缺陷。此外,研究发现在较低的淀积温度(280℃)下生长的HfO_2介质中含有少量的氮,这种氮残留增加了MIM的漏电,这表明在低温下生长的含氮HfO_2介质中仍然存在较多的氧空位缺陷。但是,上述薄膜在420℃氨气中退火后,其MIM电学性能有明显改善,而在N_2气氛中退火则不能,说明在NH_3中退火后介质中的缺陷能被有效地钝化,而在N_2中则不能发生自钝化。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TM53

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