高K介質(zhì)材料氧化鎂的制備及其性質(zhì)研究.pdf

1、隨著集成電路的飛速發(fā)展，作為硅基集成電路核心器件金屬，氧化物，場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的特征尺寸正以摩爾定律速度縮小。然而，當傳統(tǒng)柵介質(zhì)層Si02的厚度減小到原子尺寸時，由于量子隧穿效應(yīng)的影響，Si02將失去介電性能，以至將嚴重影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。因此需要尋找新型高介電常數(shù)(K)材料來替代Si02作柵介質(zhì)，能夠在保持和增大柵極電

2、容的同時，使介質(zhì)層仍保持足夠的物理厚度來限制隧穿效應(yīng)的影響。
　　 MgO因為有著許多優(yōu)異的性質(zhì)，例如電絕緣性、化學(xué)惰性、機械穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性和高效二次電子發(fā)射等，而廣泛應(yīng)用在如光學(xué)薄膜、以及高臨界溫度的超導(dǎo)緩沖層、大面積平板、等離子顯示器件、高K絕緣層介質(zhì)材料等諸多領(lǐng)域。MgO因化學(xué)情性，禁帶寬度為7.8eV，本征材料介電常數(shù)為9.8，被選作高K介質(zhì)材料，可以用在MOSFET中取代Si02作為新的絕緣層介質(zhì)。MgO

3、薄膜光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)以及膜厚等對制造和表征這些光電器件顯得極為重要，因此這些成為了本文的研究重點。
　　 本論文中，分別用金屬有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)和射頻磁控濺射法(R.FMagnetron Sputtering)在硅和藍寶石上生長了較薄（10 nm左右）的MgO薄膜，通過對薄膜的X電子能譜(XPS)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等測量研究了不同襯底溫度、退火處理等條件下薄膜成分結(jié)構(gòu)和表面形貌等性質(zhì)，

4、并用橢圓偏振光譜儀(SE)和原子力顯微鏡(AFM)確定了薄膜厚度和折射率n。
　　 首先采用MOCVD方法，以高純(CsH5)2Mg作為鎂源，高純02作為氧源，高純N2作為載氣，在襯底溫度350-7000C下成功地在p-Si(100)和藍寶石(0001)襯底上制備出了MgO薄膜。通過XPS表征了不同溫度下生長的MgO薄膜表面的組分，確定了Mg-O鍵以及MgO薄膜暴露在空氣中由于吸附C02和H20可能形成的的Mg(OH)2和MgC

5、03。樣品透過譜測量結(jié)果表明，MgO薄膜樣品在可見光區(qū)的平均透過率達到了85％。通過SEM研究了450℃下生長的MgO薄膜的表面形貌，研究發(fā)現(xiàn)薄膜表面平整，均勻性很好。用Cauchy模型擬合SE數(shù)據(jù)，得到了薄膜的折射率和厚度。對600℃和700度C樣品我們也用AFM測量了膜厚，結(jié)果與SE測量值相近。
　　 其次采用射頻磁控濺射法作為與MOCVD對照，在p-Si(100)襯底上制備了MgO薄膜，XPS數(shù)據(jù)顯示，得到了幾乎與MOCV

6、D制各樣品相同的結(jié)果。80℃下濺射120min生長的MgO薄膜樣品在650℃純氧中退火20min前后的XRD圖譜顯示，該樣品為非晶向薄膜。同樣我們通過SE測量了薄膜厚度和折射率，并用AFM加以確定薄膜厚度。
　　 為了研究MgO薄膜的電學(xué)性質(zhì)，我們制備了Au-MgO-Si(MOS)結(jié)構(gòu)的電容器，用電容一電壓（C-V，capacitance-voltage）法和電導(dǎo)一電壓[G(ω)-V，conductance-voltage]法測

7、量了的MgO薄膜的介電常數(shù)K、電容Cc、等效氧化層厚度LEOT和Si-MgO中心帶隙的界面陷阱電荷密度(Dit)，用漏電流密度(J)隨電場強度(E)變化曲線測量了樣品的漏電流密度，并研究了高溫02退火和低溫(150℃)超臨界二氧化碳(scC02)處理對他們的影響。由于scC02表面張力極低，可以輕易攜帶H20進入MgO薄膜和Si-MgO界面，H20作為氧化劑與Mg懸掛鍵反應(yīng)，消除陷阱。高頻C-V測量顯示積累區(qū)的電容隨著測量頻率的增加而減

8、小，可能是由于漏電流和串聯(lián)電阻的影響。這種變化可以用考慮了兩者的影響而修正的三單元電路模型來消除。通過測量兩組不同的頻率可以計算得到的修正電容Cc就不再隨測量頻率而變化。通過修正電容C。可以計算修正的介電常數(shù)Kc等效氧化層厚度（LEOT）。通過計算得到的Kc，我們發(fā)現(xiàn)在Si襯底上MOCVD沉積的MgO薄膜，350℃(Kc7.3)和450℃(Kc～7.6)樣品的Kc值要低于600℃(Kc～7.8)和700℃(Kc～8.2)樣品。這可能是由

9、于低溫時金屬有機鎂源中有機簇氧化不充分產(chǎn)生的碳污染殘留引起的。LEOT經(jīng)計算約為MgO薄膜厚度的一半。
　　 大多數(shù)未經(jīng)任何處理的樣品的C-V曲線存在負偏壓偏移和滯后，表明在MgO薄膜和MgO-Si界面處有一定量正電荷存在，這些正電荷的引入可能是樣品制備環(huán)境不夠潔凈導(dǎo)致。然而，通過650℃下02退火和150℃下scC02處理，樣品C-V曲線中的負偏壓偏移和滯后現(xiàn)象，都有明顯地改善。Dit可通過G-V測量按照電導(dǎo)法加以測量，也可通

10、過三單元電路模型加以修正。scC02處理可以使10k Hz下按照修正(Gp/ω)max計算得到的Si-MgO中心帶隙的Dit從1011 cm-2 eV-1減小到1010 cm-2 eV-1量級，這可與氫退火后的Si-Si02中心帶隙的Dit相比擬。漏電流密度隨電場強度變化(J-E)測量表明，350℃和450℃下生長的樣品的漏電流密度約為10-7A/cm2，比600℃和700℃下生長的樣品要高一個數(shù)量級。這也預(yù)示著較低襯底溫度下生長的薄膜