氧化锆和氧化铪高介电常数薄膜的制备及性能研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151800118硕士学位论文(学生类别：全日制专业型硕士研究生学位类别：工程硕士领域名称：材料工程论文题目：氧化锆和氧化铪高介电常数薄膜的制备及性能研究英文题目：StudyonPreparationandPropertiesofHfO2andZrO2FilmswithHighDielectricConstant学生姓名：张鹏飞导师姓名：闫淑芳副教授王建伟高级工程师二○一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要随着超大规模集成电路产业的发展，对半导体材料的性质及其制备工艺提出了更高的要求。集成电路技术伴随着单个电子器件尺寸的缩小在不断的发

2、展，而栅介质层的厚度是影响电子器件尺寸的决定性因素之一。集成电路电子行业普遍使用SiO2作为电子器件的栅介质材料，但随着器件特征尺寸的减小，传统SiO2栅极介质材料厚度已经接近材料的物理厚度，进而导致器件的功耗大幅增加，难以满足微电子行业器件稳定性要求。寻找高介电常数材料（高K材料）替代传统SiO2栅极介质层，通过增加介质层的物理厚度而降低隧穿效应，是提高电子器件稳定性的有效技术手段。ZrO2和HfO2薄膜具有适中的介电常数（K~25），且具有与传统硅基集成电路工艺相兼容的优良特性，被看作是最有发展前景的两种新型栅介质材料。试验采用射频磁控溅射技术，分别以高纯度（4N级）氧化锆和氧

3、化铪溅射靶材为原料，在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备了ZrO2及HfO2栅介质薄膜。研究了溅射功率对栅介质薄膜沉积速率和厚度的影响，通过原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪（XRD）等设备对栅介质薄膜的表面粗糙度、形貌及结构进行了分析和表征。在此基础上，设计并制备了Si-ZrO2-Pd和Si-HfO2-Pd电容器，采用阻抗分析仪（IA）测试了电容器的J-V特性和C-V特性，以表征栅介质薄膜的电学性能。研究取得的主要结果如下：通过射频反应磁控溅射系统在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备出了ZrO2栅介质薄膜。随着溅射功率的增加，ZrO2栅介质薄膜

4、的RMS值和厚度逐渐增大，当溅射功率达到90W时，可获得厚度为152nm、均匀的高质量ZrO2栅介质薄膜，薄膜的RMS值为0.968。ZrO2栅介质薄膜的沉积速率随溅射功率的增加明显提高，从60W时的1.36nm/min上升至90W时的3.04nm/min。溅射功率选取在60W~90W范围内时，ZrO2栅介质薄膜的结晶状态未发生明显改变，薄膜以非晶态氧化物形式存在，并表现出了优异的非晶态稳定性；薄膜的漏电流伴随着溅射功率的增加而降低，薄膜的介电常数K值在23.2~24.6之间。综合比较，当溅射功率为80W时，可以获得沉积速率高、表面平整、无结晶现象且电学性能良好的ZrO2栅介质薄膜

5、，薄膜-3-2的K值达到了24.5，漏电流为3.6×10A·cm。通过射频反应磁控溅射系统在P掺杂单晶硅(100)衬底上制备出了均匀的高质量HfO2栅介质薄膜。HfO2栅介质薄膜的RMS值、厚度和沉积速率均随着溅射功率的增加而逐渐增大。在溅射功率为90W时，可获得厚度为252nm的HfO2栅介质薄膜，薄膜的RMS值为0.699，沉积速率达到5.04nm/min。相同工艺条件下，HfO2栅介质薄膜的沉积速率和厚度高于ZrO2栅介质薄膜，但两种薄膜的RMS值相I内蒙古工业大学硕士学位论文近。溅射功率选取在60W~90W范围内时，HfO2栅介质薄膜以非晶态氧化物形式存在，并表现出了优异的

6、非晶态稳定性。薄膜的漏电流伴随着溅射功率的增加而降低，薄膜的介电常数K值在23.3~24.7之间。综合比较，当溅射功率为80W时，可以获得沉积速率高、表面平整、无结晶现象且电学性能良好的HfO2栅介质薄膜，-5-2薄膜的K值达到了24.7，漏电流为3.31×10A·cm。本试验制备得到的ZrO2与HfO2栅介质薄膜的介电常数均在25左右，显著高于传统栅介质材料SiO2的介电常数（大约在3.9左右），且漏电流已达到应用要求。相比于ZrO2栅介质薄膜，HfO2栅介质薄膜具有更低的RMS值、栅极漏电流以及更高的沉积速率。试验的研究结果为未来选择ZrO2与HfO2材料作为栅介质薄膜提供了依

7、据。关键词：ZrO2薄膜；HfO2薄膜；栅介质；介电常数；磁控溅射II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentoflargescaleintegratedcircuits,higherrequirementsforthepropertiesandfabricationtechnologyofsemiconductormaterialsneedmoredevelopment.Integratedcircuittechnologyis