学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高K介质材料氧化镁的制备及其性质研究

作　者: 马春雷
导　师: 李玉香
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 高K电介质氧化镁(MgO) 金属有机化学气相沉积射频磁控溅射椭圆偏振光谱仪光学性质电学性质金属-氧化物-半导体(MOS) 超临界二氧化碳（scCO2）
分类号: TN304.055
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 118次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着集成电路的飞速发展,作为硅基集成电路核心器件金属-氧化物-场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)的特征尺寸正以摩尔定律速度缩小。然而,当传统栅介质层SiO2的厚度减小到原子尺寸时,由于量子隧穿效应的影响,SiO2将失去介电性能,以至将严重影响器件的稳定性和可靠性。因此需要寻找新型高介电常数(K)材料来替代SiO2作栅介质,能够在保持和增大栅极电容的同时,使介质层仍保持足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响。MgO因为有着许多优异的性质,例如电绝缘性、化学惰性、机械稳定性、高温稳定性、热传导性和高效二次电子发射等,而广泛应用在如光学薄膜、以及高临界温度的超导缓冲层、大面积平板、等离子显示器件、高K绝缘层介质材料等诸多领域。MgO因化学惰性,禁带宽度为7.8 eV,本征材料介电常数为9.8,被选作高K介质材料,可以用在MOSFET中取代SiO2作为新的绝缘层介质。MgO薄膜光学和电学性质以及膜厚等对制造和表征这些光电器件显得极为重要,因此这些成为了本文的研究重点。本论文中,分别用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)和射频磁控溅射法(R.FMagnetron Sputtering)在硅和蓝宝石上生长了较薄(10 nm左右)的MgO薄膜,通过对薄膜的X电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测量研究了不同衬底温度、退火处理等条件下薄膜成分结构和表面形貌等性质,并用椭圆偏振光谱仪(SE)和原子力显微镜(AFM)确定了薄膜厚度和折射率n。首先采用MOCVD方法,以高纯(C5H5)2Mg作为镁源,高纯O2作为氧源,高纯N2作为载气,在衬底温度350-700℃下成功地在p-Si(100)和蓝宝石(0001)衬底上制备出了MgO薄膜。通过XPS表征了不同温度下生长的MgO薄膜表面的组分,确定了Mg-O键以及MgO薄膜暴露在空气中由于吸附CO2和H2O可能形成的的Mg(OH)2和MgCO3。样品透过谱测量结果表明,MgO薄膜样品在可见光区的平均透过率达到了85%。通过SEM研究了450℃下生长的MgO薄膜的表面形貌,研究发现薄膜表面平整,均匀性很好。用Cauchy模型拟合SE数据,得到了薄膜的折射率和厚度。对600℃和700℃样品我们也用AFM测量了膜厚,结果与SE测量值相近。其次采用射频磁控溅射法作为与MOCVD对照,在p-Si(100)衬底上制备了MgO薄膜,XPS数据显示,得到了几乎与MOCVD制备样品相同的结果。80℃下溅射120 min生长的MgO薄膜样品在650℃纯氧中退火20 min前后的XRD图谱显示,该样品为非晶向薄膜。同样我们通过SE测量了薄膜厚度和折射率,并用AFM加以确定薄膜厚度。为了研究MgO薄膜的电学性质,我们制备了Au-MgO-Si (MOS)结构的电容器,用电容-电压(C-V, capacitance-voltage)法和电导-电压[G(ω)-V, conductance-voltage]法测量了的MgO薄膜的介电常数K、电容Cc、等效氧化层厚度LEOT和Si-MgO中心带隙的界面陷阱电荷密度(Dit),用漏电流密度(J)随电场强度(E)变化曲线测量了样品的漏电流密度,并研究了高温O2退火和低温(150℃)超临界二氧化碳(scCO2)处理对他们的影响。由于scCO2表面张力极低,可以轻易携带H2O进入MgO薄膜和Si-MgO界面,H2O作为氧化剂与Mg悬挂键反应,消除陷阱。高频C-V测量显示积累区的电容随着测量频率的增加而减小,可能是由于漏电流和串联电阻的影响。这种变化可以用考虑了两者的影响而修正的三单元电路模型来消除。通过测量两组不同的频率可以计算得到的修正电容Cc就不再随测量频率而变化。通过修正电容Cc可以计算修正的介电常数Kc和等效氧化层厚度(LEOT)。通过计算得到的Kc,我们发现在Si衬底上MOCVD沉积的MgO薄膜,350℃(Kc-7.3)和450℃(Kc～7.6)样品的Kc值要低于600℃(Kc-7.8)和700℃(Kc～8.2)样品。这可能是由于低温时金属有机镁源中有机簇氧化不充分产生的碳污染残留引起的。LEOT经计算约为MgO薄膜厚度的一半。大多数未经任何处理的样品的C-V曲线存在负偏压偏移和滞后,表明在MgO薄膜和MgO-Si界面处有一定量正电荷存在,这些正电荷的引入可能是样品制备环境不够洁净导致。然而,通过650℃下O2退火和150℃下scCO2处理,样品C-V曲线中的负偏压偏移和滞后现象,都有明显地改善。Dit可通过G-V测量按照电导法加以测量,也可通过三单元电路模型加以修正。scCO2处理可以使10k Hz下按照修正(Gp/ω)max计算得到的Si-MgO中心带隙的Dit从1011 cm-2 eV-1减小到1010 cm-2 eV-1量级,这可与氢退火后的Si-SiO2中心带隙的Dit相比拟。漏电流密度随电场强度变化(J-E)测量表明,350℃和450℃下生长的样品的漏电流密度约为10-8 A／cm2,比600℃和700℃下生长的样品要高一个数量级。这也预示着较低衬底温度下生长的薄膜样品中存在更多的缺陷。600℃和700℃下生长的样品的Dit值经高温O2退火和scCO2处理后分别达到了10-9 A／cm2量级和10-10 A／cm2量级。scCO2处理可以实现对界面处Mg悬挂键的进一步氧化反应来消除界面陷阱。在Si衬底上射频磁控溅射沉积的样品与MOCVD制备的样品相比,无论在C-V特性,Dit值和J-E测量中都表现的差些。

全文目录

摘要  10-13
ABSTRACT  13-17
主要符号表  17-20
第一章绪论  20-31
  1.1 概述  20-23
  1.2 MgO薄膜的性质及应用  23
  1.3 MgO薄膜的制备方法  23-25
  1.4 超临界二氧化碳  25
  1.5 课题的选取及研究方法  25-27
  本章参考文献  27-31
第二章实验设备和测试分析方法  31-45
  2.1 金属有机化学气相沉积法  31-36
    2.1.1 MOCVD法的基本原理  31
    2.1.2 MOCVD法的特点  31-32
    2.1.3 MOCVD系统  32-34
    2.1.4 本实验的MOCVD系统  34-35
    2.1.5 本论文中材料生长所用的源  35-36
  2.2 磁控溅射法  36-38
    2.2.1 溅射原理  36
    2.2.2 溅射镀膜的特点  36-37
    2.2.3 本实验的磁控溅射系统  37-38
  2.3 测试分析方法  38-44
    2.3.1 结构和成分测试分析  38-39
    2.3.2 薄膜表面形貌分析  39-40
    2.3.3 椭圆偏振光谱仪(SE)  40-44
  本章参考文献  44-45
第三章 MOCVD法制备MgO薄膜的研究  45-59
  3.1 概述  45
  3.2 薄膜的制备  45-47
    3.2.1 实验准备  45-46
    3.2.2 薄膜制备过程  46-47
  3.3 MgO薄膜的性质分析  47-58
    3.3.1 MgO薄膜的XPS分析  47-54
    3.3.2 MgO薄膜的透过谱分析  54-55
    3.3.3 MgO薄膜的SEM分析  55-56
    3.3.4 MgO薄膜的膜厚分析  56-58
  本章参考文献  58-59
第四章磁控溅射法制备MgO薄膜的研究  59-64
  4.1 MgO薄膜的制备  59-60
    4.1.1 实验准备  59-60
    4.1.2 制备薄膜过程  60
  4.2 MgO薄膜性质分析  60-63
    4.2.1 MgO薄膜的XPS分析  61-62
    4.2.2 MgO薄膜的XRD分析  62-63
  本章参考文献  63-64
第五章高K介质材料MgO薄膜电学性质的研究  64-81
  5.1 概述  64
  5.2 MOS电容器的电学测量  64-72
    5.2.1 界面陷阱与氧化层电荷  65-67
    5.2.2 C-V曲线与氧化层介电常数K的计算  67-69
    5.2.3 修正电容C_c与界面陷阱电荷密度(D_(it))的计算  69-72
  5.3 实验步骤  72-73
  5.4 MgO薄膜的C-V特性  73-80
    5.4.1 修正电容C_c的测量与相关值计算  73-75
    5.4.2 退火和scCO_2处理对MgO薄膜电学特性的影响  75-76
    5.4.3 MgO薄膜的界面陷阱电荷密度(D_(it))  76-78
    5.4.4 MgO薄膜的漏电流密度(J)  78-80
  本章参考文献  80-81
第六章结论  81-83
致谢  83-84
学位论文评阅及答辩情况表  84

高K介质材料氧化镁的制备及其性质研究

内容摘要

全文目录

相似论文