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高介电常数材料的制备及电学性能研究

邢溯  
【摘要】: 日益增长的信息技术对更高集成度、高速、低功耗集成电路的需求,驱使晶体管的尺寸越来越小,随之而来的问题是作为MOS栅氧化物和DRAM电容介质的SiO_2迅速减薄,直逼其物理极限。另一方面,随着移动型电子消费类产品在当今社会大范围的普及应用,非挥发性存储介质在移动存储领域越来越显示出其优越性。因此,高介电常数材料与铁电存储介质的研究是当今国际上信息功能材料与微电子领域的前沿研究课题。 本文对应用于DRAM电容介质的钛酸锶钡(BST)系高介电常数材料的制备进行了研究。采用封闭式回流系统和廉价的Ba和Sr的醋酸盐为前躯物成功制备了不同厚度的BST薄膜,观察了薄膜厚度对其电学性能的影响。Au/BST/Pt薄膜电容器具有良好的介电性能,在100kHz下测量介电常数为199~263,介电损耗~0.02。以快速退火代替管式炉退火大幅度改善了其漏电性能,降低漏电流2个数量级以上。采用组合集成离子注入的方法掺Bi提高了BST薄膜的介电性能。 研究了以PLD制备的Ba_(0.8)SrO_(0.2)TiO_3薄膜,通过优化沉积气压及退火处理等制备条件,得到了介电和漏电性能良好的Ba_(0.8)SrO_(0.2)TiO_3薄膜,其介电常数为463(100kHz),在±1.5V偏压下的漏电流分别为2.42×10~(-8)A/cm~2(正向)和2.51×10~(-9)A/cm~2(反向)。 首次用PLD方法在多孔硅衬底上生长Ba_(0.8)SrO_(0.2)TiO_3薄膜,对其结构和电学性能进行了观察,通过C-V测试发现了自发极化增强的现象,多孔硅具有很好的绝热性能,在多孔硅衬底上制作红外探器测有希望提高探测灵敏度降低热噪音。 首次使用超高真空电子束蒸发金属Hf结合热氧化在Si(100)衬底上成功制备了适合于栅介质应用的HfO_2薄膜。观察了不同氧化温度下的薄膜的结构,发现薄膜的漏电流与界面层的硅化物Hf_xSi_y的含量有关。硅化物主要是由沉积过 微溯博士裕文 搏要 程中 Hf和出的互扩散引起的,而热氧化可以将其转化成具有较高介电常数的硅 氧化物 HfxsiyO。,成为介于 HfO。薄膜和出衬底之间的界面层。界面层里残余的 硅化物的含量越低,薄膜的漏电性能就越好。 探索了使用ZrO。作为阻挡层抑制Hf和a的互扩散反应,减小了界面层厚 度,并提高了界面层的氧化效率,与无阻档层的样品相比电学性能得到了显著的 提高。其中,600 C氧化的含阻挡层的样品,其漏电性能比同样条件下氧化的无 阻挡层的样品有非常大的提升;C-V特性也得到了改善。 对4X8位铁电存储器存储器单元矩阵进行了制版、流片、和工艺探索。对 流片过程中发现的问题进行了总结,其主要问题是上电极对PZT的附着力问题, 铁电电客的刻蚀问题,后续工艺对铁电电容的影响问题,以及引线孔过深导致的 刻蚀和铝连线问题。为今后铁电存储器的制作,以及版图设计和工艺的改进提供 了依据。


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