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《兰州大学》 2007年
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Hf基高k材料的物性表征

蒋然  
【摘要】: 国际半导体技术蓝图(ITRS)预言了先进Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)器件尺寸缩减的趋势。当栅层的等效氧化厚度小于1.5nm时,传统的SiO_2材料已经达到了物理极限,由量子遂穿效应引起的漏电流在这个尺度内,将会随厚度减小而呈指数式增加。因此,使用高k(介电常数)材料来取代SiO_2是目前半导体工艺发展的趋势。因为在相同的电容值的情况下,高k材料具有更厚的厚度,可以有效地减小漏电流的发生。同时,因为阀值电压反比于栅介质的介电常数,所以高k材料还具有较低阀值电压,从而有助于提高整体器件的灵敏性。但是,对于合适的高k材料的选取要求比较严格。比如介电常数要适中,不宜过高。因为过高的介电常数往往会导致带宽的减小,从而增加了漏电流。另外还要求高k材料与硅接触有良好的热稳定性等等。在众多的高k材料中,HfO_2是公认的最具前景的替代SiO_2的栅介质材料,HfO_2和Hf基介质材料因而受到了人们广泛的关注。 本篇论文的工作主要集中在HfO_2和HfON高k介质的电学性质上,同时对HfO_2高k材料的光致发光以及场发射特性进行了初步的研究。利用溅射实验方法的特点,制备了具有良好电学性质的HfON-HfO_2-HfON结构的堆栈薄膜。HfON是HfO_2同HfN之间的过渡化合物,由于它特殊的性质,在实验中发现并初步分析了其与多孔硅,稀土发光材料结合的发光现象,以及HfON自身场发射现象的原因。具体如下: 1.Hf基高k材料的电学性质。首先设计并制备了HfON-HfO_2-HfON堆栈结构,通过其与纯HfON和HfO_2性质的对比,发现它除了具有良好的电学特性,还具有较好的阻挡氧扩散的能力。同时,因为具有制备简单,未引入新的杂质元素的特点,适宜于大规模工艺的应用。其缺点在于如何进一步控制三层之间的界面分界与相关层的厚度。 电荷陷阱一直被认为是阻挡Hf基材料在CMOS技术中应用的主要问题之一。比如它会导致阀值电压的不稳定和迁移率的降低。通过测量C-V性质的变化,以及分析萃取的阀值电压,平带电压,可以表征其基本情况。这篇论文对影响高k栅介质的电荷陷阱的性质进行了研究。通过对电容-电压特性,以及漏电流特性的测试,分析了陷阱俘获和释放过程,并且对制备的高k薄膜的陷阱能级进行了分析。同时,通过简便有效的厚度变动对电学性质的影响分析,对陷阱缺陷的分布做了粗略的推断。 2.Hf基材料的光致发光同场发射特性。Hf基材料具有广泛的应用。本论文在对Hf基材料的高k性质进行研究的同时,对其在光致发光和场发射方面的应用也进行了测试。在实验中,观测到了HfON良好的场发射特性,以及同发光材料结合造成的发光增强作用。这些物性表征间接的证明了高k测试中的一些假设(如Hf-N的存在),同时使我们加深了对Hf基材料的认识,因此作为工作的一部分,也列于本论文中。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304

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