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新型高k栅介质La_xAl_yO薄膜的制备与性能研究

费晨曦  
【摘要】:从19世纪80年代以来,随着互补金属氧化物半导体集成电路技术的发展,微电子行业的发展也取得了巨大的成功。随着摩尔定律的发展,金属氧化物半导场效应晶体管的低功耗以及高速运转的特性使其性能不断发展,这也推进着微电子技术的不断进步。SiO_2作为栅极电介质薄膜完美的应用于器件的沟道和栅极之间。然而随着器件尺寸的不断缩小,传统的SiO_2的厚度已经减少到几个原子层的物理厚度。由于栅氧化层厚度的减薄,由隧穿所导致的栅极漏电流不断增大。所以寻找新的栅极介质薄膜来替代传统的SiO_2已经非常必要,由此就引出了高介电常数栅介质材料。和其它制备薄膜的方法相比,原子层淀积设备通过交替的表面吸附反应使得薄膜进行自限制生长。所以原子层淀积技术所制备的薄膜有着高纯度、好的致密性并且其能够精确控制所制备薄膜的厚度。而且原子层淀积设备可以在低温下进行薄膜的生长,其温度可以设定在200-400°C。这些都使得在原子层淀积技术将来的集成电路产业中对栅极电介质材料的制备有着极具吸引力的优势。在本文中,首先对原子层淀积技术制备LaAlO_3薄膜的工艺参数进行了优化,其次对制备的不同结构以及不同氧化剂的La_xAl_yO薄膜的特性进行了研究,主要的研究内容如下:1.研究了原子层淀积制备薄膜的生长工艺参数,如前驱体加热温度、薄膜淀积温度、前驱体的脉冲和吹洗时间以及氧化剂的脉冲和吹洗时间对La_2O_3和Al_2O_3薄膜淀积速率的影响。研究表明当La的前驱体加热温度为180~oC时,当使用H_2O为氧化剂,La前驱体的脉冲时间和吹洗时间分别为0.3s和4s,H_2O的脉冲时间和吹洗时间分别为0.3s和8s,此时La_2O_3薄膜的淀积速率为0.07nm/cycle。当使用O_3为氧化剂生长La_2O_3薄膜时,La前驱体的脉冲时间和吹洗时间分别为0.5s和8s,O_3的脉冲时间和吹洗时间分别为0.5s和10s,此时La_2O_3薄膜的淀积速率为0.1nm/cycle。使用H_2O为氧化剂生长Al_2O_3薄膜时,Al前驱体的脉冲时间和吹洗时间分别为0.1s和3s,H_2O的脉冲时间和吹洗时间分别为0.1s和4s,Al_2O_3薄膜的淀积速率为0.1nm/cycle。使用O_3为氧化剂生长Al_2O_3薄膜时,Al前驱体的脉冲时间和吹洗时间分别为0.1s和3s,H_2O的脉冲时间和吹洗时间分别为0.5s和4s,Al_2O_3薄膜的淀积速率为0.1nm/cycle。最后给出了淀积LaAlO_3薄膜的最佳温度区间:270~oC-320~oC。2.对不同前驱体淀积脉冲比的La_xAl_yO薄膜进行了制备和研究,研究表明,随着La和Al前驱体脉冲比例的增加,薄膜的介电常数也随之增加,而等效氧化层厚度减小。当薄膜中La和Al前驱体脉冲比为3:1时,薄膜的介电常数达到最大,等效氧化层厚度相应的达到最小值。这是因为薄膜中La含量的增加。此时薄膜中La、Al和O原子之比达到1:1:3,这个比例值达到了薄膜标准的化学式计量比。其次使用原子层淀积技术制备了不同结构的La_2O_3/Al_2O_3/Si和Al_2O_3/La_2O_3/Si的薄膜并且对其退火前后的物理和电学特性进行了研究。研究表明薄膜中的C和N杂质含量低并且薄膜的表面的平整度好。其次退火后Al_2O_3/La_2O_3/Si薄膜的介电常数,等效氧化层厚度以及电学特性得到改善。而对于La_2O_3/Al_2O_3/Si薄膜,由于La原子的扩散和La_2O_3薄膜的吸湿性使得退火后薄膜的等效氧化层厚度增大,介电常数减小。而根据电学以及化学特性的分析得出,无论退火前后La_2O_3/Al_2O_3/Si薄膜的性能都优于Al_2O_3/La_2O_3/Si薄膜。总体上来说影响Al_2O_3/La_2O_3/Si薄膜质量的主要因素是其界面层的形成,而La_2O_3/Al_2O_3/Si薄膜退火后介电常数的增加则是由于其表面La(OH)_3的生成。3.使用原子层淀积制备了分别以H_2O和O_3为氧化剂不同结构的La_xAl_yO薄膜,并对其性能进行了研究。结果表明当使用Al_2O_3作为阻挡层时薄膜的介电常数和EOT优于使用SiO_2作为阻挡层的薄膜和直接用氢氟酸处理衬底后所制备的薄膜。此时分别以H_2O和O_3作为氧化剂时薄膜的介电常数分别为18.9和20.83;等效氧化层厚度分别为3.13和2.67。这说明了Al_2O_3阻挡层由于其良好的热力学稳定性可以抑制La、O和Si原子之间的相互扩散。相比于H_2O为氧化剂淀积的La_xAl_yO薄膜,使用O_3为氧化剂所淀积的薄膜的介电常数,等效氧化层厚度和界面质量都具有比较大的优势。其次对单一氧化剂和混合氧化剂所淀积的薄膜的特性进行了研究。通过XPS分析了薄膜中的C和N杂质含量的变化。结果表明,相比于使用H_2O为氧化剂制备的薄膜,使用O_3为氧化剂制备的La_xAl_yO薄膜有着较低含量的C杂质和较高含量的N杂质。退火可以降低薄膜中C和N杂质的含量并且可以提高薄膜的介电常数。而通过对比薄膜中主要元素的含量表明氧化剂因素对于薄膜中C和N杂质含量影响比较大而对于其它元素含量比影响相对比较小。XPS谱图分析得出退火后薄膜的La的氢氧化物和界面层中La的硅化物含量得到改善,使用混合氧化剂淀积的薄膜其质量优于水为氧化剂淀积的薄膜,而O_3为氧化剂淀积的薄膜特性最优。


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