本文選題：高K材料 + 原子層淀積技術(shù)　； 參考：《西安電子科技大學》2015年博士論文

【摘要】：隨著半導體行業(yè)的不斷發(fā)展,集成電路芯片的密度隨之增大,晶體管的溝道長度和柵介質(zhì)的厚度也不斷縮小。當傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)的厚度小于1.4nm時,由隧穿引發(fā)的漏電流急劇增大,導致器件的功耗增大到了一個不可接受的水平,需要尋找擁有高介電常數(shù)的、物理厚度大的新材料薄膜來取代SiO_2作為柵介質(zhì)材料。在所有的制備柵薄膜的方法中,原子層淀積技術(shù)具有獨特的優(yōu)越性,所制備的薄膜組分一致性非常高。在本文中,主要對原子層淀積技術(shù)制備的Nd_2O_3,HfO_2和(HfO_2/Al_2O_3)納米介質(zhì)膜的光學特性進行了研究,主要的研究內(nèi)容如下:1.Nd_2O_3光學特性和工藝相關(guān)性研究。首先分析了不同工藝條件下制備的Nd_2O_3介質(zhì)材料的特性,得到了采用ALD方式制備Nd_2O_3介質(zhì)膜的優(yōu)化工藝條件如下:Nd(thd)3氣化溫度:185oC,生長溫度范圍:300-320oC,金屬前驅(qū)體Nd(thd)3的脈沖時間大于0.5s。接著,研究了Nd_2O_3介質(zhì)膜的光學特性和退火溫度的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)材料的折射率指數(shù)和高頻介電常數(shù)都隨著退火溫度的升高減小,而材料的帶隙能值隨著退火溫度的升高而增大。最后,分析了薄膜淀積后高溫退火對Nd氧化物的界面化學態(tài)和能帶排列的影響。通過研究元素Nd 3d、O 1s和Si 2p的XPS核心結(jié)合能譜隨退火溫度的變化,發(fā)現(xiàn)界面的Nd硅酸鹽結(jié)構(gòu)隨著退火溫度的不斷升高,逐步由Nd_2SiO5結(jié)構(gòu)向Nd_2Si2O7結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。并且,Nd_2O_3介質(zhì)膜的直接帶隙能值隨著退火溫度的升高逐步增大。同時,計算得到Nd_2O_3介質(zhì)模和硅襯底之間的價帶和導帶差都大于1eV。分析結(jié)果表明,Nd_2O_3介質(zhì)膜具有合適的帶隙能值,并硅襯底之間具有合適的能帶差,可以作為高K材料的應用。2.HfO_2光學特性和厚度及氧化劑的相關(guān)性研究。首先,研究了HfO_2薄膜的光學特性和介質(zhì)材料厚度的關(guān)系,分析結(jié)果表明,當采用去離子水作為氧化劑時,預淀積膜的介電函數(shù)的實部值(ε1)隨著淀積周期數(shù)的增大而增大,而當?shù)矸e周期數(shù)增大到一定程度(大于65周期)后,ε1值幾乎不再隨著淀積周期數(shù)變化而變化。同時材料的帶隙能值也隨著材料膜厚度的增大而減小。而當采用臭氧作為氧化劑時,材料的光學特性并沒有隨著膜厚的變化而表現(xiàn)出相似的變化趨勢�？梢钥闯�,氧化劑對于材料的光學特性有著很大的影響。接著,文中以淀積周期數(shù)為52的樣品為例,深入研究了氧化劑的不同對于介質(zhì)材料光學特性的影響。分析發(fā)現(xiàn),水基的HfO_2具有較大的ε1值。進一步仔細研究材料的介電函數(shù)的虛部(ε2),發(fā)現(xiàn)臭氧基的介質(zhì)材料,除了來自硅襯底的吸收特性峰值外,其在帶隙能值內(nèi),吸收特性峰最少。此外,臭氧基的HfO_2材料具有較大的高頻介電函數(shù)、直接和間接帶隙能值。值得注意的是,無論是采用臭氧還是去離子水作為氧化劑,所得到的材料和硅襯底之間的價帶差和導帶差都比較大,這說明,原子層淀積技術(shù)淀積HfO_2介質(zhì)材料時,無論采用水還是臭氧作為氧化劑,其得到的材料都能和硅襯底之間形成足夠高的勢壘,從而抑制電子和空穴隧穿。3.不同結(jié)構(gòu)HfO_2/Al_2O_3納米層的光學特性研究。文中分別對三種結(jié)構(gòu)的HfO_2/Al_2O_3納米介質(zhì)層進行了分析研究。首先,分析了(HfO_2/Al_2O_3)_x疊柵結(jié)構(gòu)中,HfO_2/Al_2O_3疊層厚度對整體介質(zhì)膜的影響。分析結(jié)果表明介電函數(shù)的實部和虛部都隨著HfO_2/Al_2O_3疊層厚度的減小而減小。進一步分析發(fā)現(xiàn),材料的光學帶隙能值并沒有隨著HfO_2/Al_2O_3疊層厚度的減小而發(fā)生太大的變化。同時,計算所得的材料的相對介電常數(shù)也變化不大。接著,分析了當Al_2O_3插入層位于Al_2O_3/HfO_2疊柵中的不同位置時,對疊柵的特性的影響。發(fā)現(xiàn)當Al_2O_3插入層位于中間層時,其疊柵的ε1值最大。通過XPS分析材料的價帶譜發(fā)現(xiàn),Al_2O_3/HfO_2疊柵和襯底之間的價帶差和導帶差都大于1eV。最后,研究了在HfO_2中添加Al組分對介質(zhì)材料光學特性的影響。發(fā)現(xiàn)未摻雜的HfO_2介質(zhì)膜在經(jīng)過500oC高溫退火后就出現(xiàn)了結(jié)晶現(xiàn)象。當在介質(zhì)膜中引入Al組分,Al-HfO_2介質(zhì)膜可以在700oC高溫退火后,依然保持無定形態(tài)。特別是,預淀積的[1Al_2O_3+5HfO_2]薄膜,其光學特性預淀積的純HfO_2相似。而且,在經(jīng)過退火處理后,其無定型結(jié)構(gòu)中的無序態(tài)最少,帶隙能值Eg(5.5±0.1eV)的熱穩(wěn)定性也最好。
[Abstract]:The optical properties of Nd _ 2O _ 3 dielectric films prepared by atomic layer deposition have been investigated . In this paper , the influence of the thickness of HfO _ 2 / Al _ 2O _ 3 on the optical properties of HfO _ 2 / Al _ 2O _ 3 has been studied .
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O484.41

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