二氧化铪基纳米薄膜的反应磁控溅射制备工艺研究以及电容器集成

发布时间：2017-08-08 09:13

  本文关键词：二氧化铪基纳米薄膜的反应磁控溅射制备工艺研究以及电容器集成

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【摘要】：集成电路的飞速发展促使半导体材料和工艺不断更新换代,对于MOS器件栅极介质材料也提出了更高的要求,此时传统的Si02栅极氧化层已逐渐不能适应工艺需求,高-k氧化物材料成为了这一领域的热门研究方向。HfO2这一具有优良特性且与硅基集成电路有良好兼容性的薄膜材料,目前已经成为了最具有发展前景的新型栅介质。在最近的研究中发现,经过特殊工艺处理的HfO2基薄膜中同样具备铁电性,且与传统铁电材料相比,HfO2基铁电薄膜已经实现了与硅基半导体良好的集成度,这一重要发现将有望突破制约非易失性铁电存储器发展的材料瓶颈。本文创新的采用了纯铪金属靶的反应磁控溅射法来制备Hf02基薄膜,通过台阶仪、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)等分析手段确定了工艺参数对纯HfO2薄膜厚度、成分、表面形貌的影响,为元素的掺杂奠定了基础。之后使用射频电源连接纯钇金属靶来实现Y掺杂HfO2薄膜的制备,并通过X射线反射(XRR)、X射线光电子能谱(XPS)、小角掠入射X射线衍射(GIXRD)来对薄膜的厚度、成分以及晶体结构做出了表征。为了完成电容器的集成,本文探索了顶电极的制备,首先根据电学测量的方法设计了掩膜板,并对Au、Pt以及TiN三种常用的电极材料的生长速率与电阻率做出了表征与比较,最后对集成完毕的薄膜电容器的进行了电学性能的测量。实验结果表明,由射频反应磁控溅射系统成功在Si衬底上制备出高质量均匀的Y掺杂HfO2薄膜,并得出了薄膜在室温下的生长速率约为0.6nm/min,通过对XPS谱图准确的得到Y元素掺杂量与Y靶功率成正比的关系,并依靠分峰图解得出掺杂元素Y的掺杂形态为Y2O3。经过对比,最终选择了工艺稳定可控、成膜效率高且电阻率优秀的氮化钛作为电容器结构中的顶电极材料。电学测试表明初始工艺得到的薄膜介电常数较小且漏电流不甚理想,经过分析可能出现的原因,提出了降低工作气压的工艺改进手段,并通过XRR的分析验证了改进后薄膜密度、厚度的改善,最后电学特性有了很大的提升。
【关键词】：HfO_2薄膜 铁电薄膜 磁控溅射
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-31
• 1.1 HfO_2高-k介电材料及其在微电子工业中应用现状10-13
• 1.2 铁电材料的特性及HfO_2基铁电薄膜的发现与应用前景13-20
• 1.2.1 铁电材料的特性13-15
• 1.2.2 HfO_2基铁电薄膜铁电性的发现15
• 1.2.3 HfO_2基铁电薄膜的研究现状15-19
• 1.2.4 HfO_2基铁电薄膜的应用前景19-20
• 1.3 HfO_2薄膜的制备方法20-30
• 1.3.1 原子层沉积法(ALD)21
• 1.3.2 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)21-22
• 1.3.3 物理气相沉积法(PVD)22-30
• 1.3.3.1 溅射法沉积薄膜的原理22-23
• 1.3.3.2 磁控溅射23-24
• 1.3.3.3 射频反应磁控溅射原理24-25
• 1.3.3.4 HfO_2基铁电薄膜的文献调研25-30
• 1.4 本论文的研究目的及内容30-31
• 第二章 实验部分31-44
• 2.1 实验试剂和仪器31-36
• 2.1.1 氧化铪基薄膜样品沉积仪器介绍31-32
• 2.1.2 TiN电极沉积仪器介绍32-33
• 2.1.3 Au/Pt电极沉积沉积仪器介绍33-34
• 2.1.4 实验试剂34-36
• 2.1.5 退火仪器介绍36
• 2.2 实验原理及方法36-37
• 2.2.1 基片清洗36-37
• 2.2.2 电学性能测试原理37
• 2.3 HfO_2薄膜性能的表征37-44
• 2.3.1 表面形貌表征37
• 2.3.2 薄膜厚度表征37-38
• 2.3.3 薄膜成分分析38-39
• 2.3.4 薄膜晶体结构的分析39-40
• 2.3.5 方块电阻测试40-43
• 2.3.6 电学性能测试43-44
• 第三章 电极的设计与性能表征44-55
• 3.1 掩膜版的设计44-47
• 3.2 金电极的生长与性能表征47-50
• 3.3 铂电极的生长与性能表征50-51
• 3.4 TiN电极的生长与性能表征51-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 反应磁控溅射法制备纯HfO_2薄膜55-61
• 4.1 引言55
• 4.2 薄膜沉积速率的确定55-57
• 4.2.1 氩氧比与沉积速率的关系55-56
• 4.2.2 溅射功率与沉积速率的关系56-57
• 4.3 氩氧比对薄膜成分的影响57-58
• 4.4 氩氧比对薄膜表面质量的影响58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 反应磁控溅射制备Y掺杂HfO_2薄膜的性能表征61-66
• 5.1 薄膜样品的制备61
• 5.2 薄膜成分测试61-63
• 5.3 薄膜厚度表征63
• 5.4 薄膜晶体结构的表征63-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 Y掺杂HfO_2薄膜电容器的集成及其电学性能测试66-72
• 6.1 Y掺杂HfO_2薄膜电容器的集成66-67
• 6.2 Y掺杂HfO_2薄膜电容器的电学性能测量67-69
• 6.3 工艺改进及薄膜性能表征69-71
• 6.4 本章小结71-72
• 第七章 结论72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 闫丹;吴平;邱宏;俞必强;赵云清;张师平;吕反修;;衬底温度对射频磁控溅射制备HfO_2薄膜结构的影响[J];功能材料与器件学报;2008年05期

2 武开业;;扫描电子显微镜原理及特点[J];科技信息;2010年29期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王毕艺;溶胶—凝胶技术制备ZrO_2/SiO_2多层高反膜的研究[D];电子科技大学;2008年

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本文编号：639206