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1、杭州电子科技大学 硕士学位论文 基于二氧化铪的高介电常数薄膜的制备与研究 姓名：刘芳 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：季振国;杨永德 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 III 摘 要 随着集成电路的快速发展，作为微电子学的一个关键器件MOSFET，其特征尺寸不 断缩小，但随之带来一系列问题。其中最引人关注的是，当等效氧化物厚度小于 1.5nm 时， 作为传统栅介质的 SiO2将达到物理极限，漏电流将呈指数增加，影响了器件的稳定性和可靠 性，成为制约集成电路继续发展的瓶颈。为了解决这个问题，需要寻找新的高介电常数的栅 介质材料来替代传统的 SiO2， 新的
2、栅介质材料要求必须有合适的 k 值， 良好的热力学稳定性， 大禁带宽度，并且能够与传统 CMOS 工艺的兼容。HfO2由于优越的性能而被认为是 SiO2栅 介质材料的最好替代物之一。 本实验分别采用直流反应磁控溅射和激光脉冲沉积制备 HfO2、Hf1-xZrxO、Hf1-xAlxO、 Hf1-xSixO 薄膜，利用 X 射线衍射仪（XRD） 、原子力显微镜（AFM） 、LCR 电桥和半导体参 数测试仪等测试手段对不同工艺条件下制备的薄膜进行表征和分析。 本论文的研究结果如下： 1. 经不同氧氩比和不同衬底温度下制备的 HfO2薄膜为单斜晶型或斜方晶型，而金属膜后退 火制备的 HfO2薄膜为单斜
3、晶型；薄膜的漏电流机制由 F-P 发射和 Schottky 发射共同决定； 经 500金属膜后退火制备的 HfO2薄膜的漏电流最小，即在-1V 偏压下，漏电 流为 1.2610-7A/cm2；在不同氧氩比下制备所得的 HfO2薄膜相对介电常数为 20.0125.56， 在不同衬底温度下制备所得的 HfO2薄膜相对介电常数为 21.1525.47，金属膜后退火制备的 HfO2薄膜相对介电常数为 17.7623.30。 2. 利用磁控溅射法和激光脉冲沉积法分别制备不同掺杂量的 Hf1-xZrxO 薄膜、Hf1-xAlxO 薄膜 和 Hf1-xSixO 薄膜。经研究发现，Al 掺杂时薄膜的结晶温度提
4、高到 900，Si 掺杂制备的薄膜 经 500900退火后仍为非晶膜，Zr 掺杂对薄膜结晶温度没有影响；薄膜的漏电流发射机 制为 F-P 发射和 Schottky 发射共同决定；其中 Hf1-xAlxO 薄膜的漏电流最小，即 800退火的 薄膜，在-1V 偏压下，漏电流为 1.9910-8A/cm2。 关键字：HfO2，MOS 器件，高 K 栅介质，磁控溅射，脉冲激光沉积，掺杂 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV ABSTRACT With the rapid development of IC (integrated circuit), the size of MOSFET which is
5、 an crucial device of microelectronics, is continuously reducing, as a result, many problems appears, the most conspicuous of which is that, when the equivalent oxide thickness is less than 1.5nm, the traditional gate dielectric SiO2 approach the its threshold thickness, Because of quanta tunneling
6、effect, the leakage current will rise exponentially, which will threat the stability and reliability of the device and restricts the IC development. In order to solve this problem, we need to seek new high-k dielectrics to replace SiO2, and the new material should behave favorable thermal stability,
7、 wider energy gap and can resolve compatibility issues with traditional IC technology. HfO2 have been widely investigated as the most promising candidates for its excellent performance. The films are deposited by means of direct current (DC) reactive magnetron sputtering and pulsed laser deposition
8、(PLD). Influence of preparation technology on the microstructures, stoichiometry and electricity property analysis of the films were studied with X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM) and IV curve and CV curve,respectively. The research contents of this paper are as follows: 1. In dif
9、ferent O2/Ar ratio and substrate temperatures HfO2 films were grown, found its crystal form is monoclinic or orthorhombic type, while the metal film prepared by post-annealed monoclinic HfO2 is monoclinic type; Leakage current mechanism is composed of F-P emission and Schottky emission codecision.Af
10、ter the Hafnium film at 500annealed HfO2 films prepared has the smallest leakage current,at -1V bias, the leakage current of 1.2610-7A/cm2； HfO2 films prepared in different O2/Ar ratio have a relative dielectric constant 20.0125.26. The relative dielectric constant of HfO2 thin films prepared in dif
11、ferent substrate temperatures is 21.1525.47.Metal film post-annealed HfO2 films prepared its relative dielectric conatant 17.7623.30. 2. Hf1-xZrxO film, Hf1-xAlxO film and Hf1-xSixO film prepared by magnetron sputtering and pulsed laser deposition.The study found that,Al-doped films crystal during 9
12、00,Si-doped films prepared by 500900 annealed is amorphous film,Zr doping on the films does not affect crystallization temperature.Film leakage current emission mechanism is F-P emission and Schottky emission; Hf1-xAlxO film have the smallest leakage current, at -1V bias,that is 1.9910-8A/cm2. 杭州电子科
13、技大学硕士学位论文 V Keyword: HfO2, MOS device, high-K gate dielectric, Magnetron sputtering, Pulsed laser deposition, Doping 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申
14、请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕
15、士学位论文 1 第 1 章 文献综述 1.1 引言 1947 年，贝尔实验室发明了第一支固态晶体管1，这一发明开启了以固体材料为基础的 现代半导体产业；20 世纪 50 年代，第一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）问 世；1958 年 7 月德州仪器公司（TI）制造出第一块集成电路2。自此，集成电路技术，开启 了人类发展的新纪元，深刻地影响了人类社会的各方面。自 1958 年集成电路发明以来，集成 电路芯片的发展基本遵循半导体产业先驱者 Gordon Moore 所提出的摩尔定律，即每隔 18 个 月集成电路芯片上所集成的电路的数目翻一番（见图 1.1） 。 图 1.1 1971-2010 年 CPU 中三极管数量与摩尔定律曲线 随着集成电路的发展， 集成电路的特征尺寸不断缩小， 制作工艺和加工精度的不断提高， 硅片的面积不断的增加， 使得 MOSFET 器件尺寸越来越小， 单个芯片上集成的器件数目越来 越多，与此同时，器件的性能不断提高，成本不断降低。自 1995 年以来，集成电路特征尺寸 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 从 0.35um、0.25um、0.18um、0.09um 一直发展到目前应用的 45nm，每次新制程的引入，都 对集成电路的发展动态、性能、功耗有着至关重要的影响3。 图 1.2 和图 1.3 是 Intel 采用高 K 栅介质+
