退火温度对高介电HfO2薄膜微观结构和形貌的影响

作者:黄明文 来源:推广部 时间:2019-05-31 10:52

通过等离子体氧化金属膜法制备hfo2栅极介电膜。随着退火温度的变化,研究了hfo2栅介质薄膜的微观结构和表面形貌。研究表明,随着退火温度的升高,:改变了hfo2薄膜的晶体结构,沉积中从非晶态到结晶态,从四方相到四方相和单斜相,最后到单斜相。 。扫描电子显微镜分析表明,随着退火温度的升高,hfo2薄膜的内部结构趋于致密和平坦。

关键词hfo2薄膜;等离子体氧化组织;形态学

1简介

随着微电子技术的快速发展,随着栅极介电层sio2的厚度快速接近其物理极限,mosfet特征尺寸按摩规律正在缩小,因为下一代mosfet高介电栅极介电材料的背景成为今天的研究热点。微电子材料。 Hfo2目前是下一代CMOS工艺中最有希望替代sio2的产品。 Hfo2不仅具有适中的介电常数值(~25),它可以在不过度增加栅极氧化物堆叠高度的情况下实现所需的等效SiO 2厚度(eot); si具有相当高的带隙,导带偏移Δec大于1ev,当与栅电极和硅衬底接触时,其保持大的接触势垒,这对于大多数高k材料是不可用的。高势垒有效地阻挡了电子(或空穴)的肖特基通路,即减小了超薄膜的隧穿电流。 Hfo2在带结构中很好地满足了高k材料的选择标准。

2实验

实验中使用的基板是单面抛光的p型单晶硅(100),电阻为4至12ωcm。在将hfo2沉积在硅衬底上之前,我们在衬底上进行了标准清洁和高压电离清洁。磁控溅射系统的背景真空度小于2×10-4pa,溅射靶纯度为99.99%,溅射气体为高纯度(99.999%),直流溅射功率为40w,溅射压力为高达3.5pa,溅射时间为5min。将得到的金属钌膜转移到等离子体增强化学气相沉积室中,通过变质等离子体氧化直接获得hf2膜。等离子体氧化的实验参数为输入ar: o2=6: 1,工作压力19pa,工作功率200w,基板温度设定为400oc,氧化时间30min。将沉积的hfo2膜进行500-900 ocO2或n2的快速热退火5分钟,以获得所需样品。通过X射线衍射仪分析样品的结构,并通过扫描电子显微镜观察样品的形态。3。结果与讨论

3.1hfo2薄膜的结构分析

退火温度对高介电HfO2薄膜微观结构和形貌的影响

沉积的薄膜没有衍射峰,显然是无定形的,表明等离子体氧化不会引起薄膜结晶。在氧气氛中在500℃下退火清楚地显示出hfo2膜结晶的趋势。出现2θ=30.3o的弱衍射峰,对应于hfo2的四方结构,其非常接近d.a.neumayer报道的hfo2的结晶温度。继续提高退火温度,发现hfo2的相结构发生变化。对应于单斜结构的hfo2的(-111)晶面的衍射峰开始出现在600℃的退火样品中,并且膜开始从单个四方相转变为四方和单斜晶多晶。随着退火温度进一步升高,hfo2的四方相消失并被所有单斜晶相取代。通常,hfo2在常压下是单斜晶的,并且在高压或高温下只能稳定地存在诸如四方,立方或正交的晶相。然而,许多文献已经观察到,在某些生长条件下,这些亚稳相被“冻结”并出现在膜中,并且这种现象发生在500℃氧化的样品中。 hfo2的相结构随退火温度的变化而变化,表明:的四方相的hx2在低温退火时是亚稳相,具有较大的不稳定性。 hfo2的单斜晶相是高温状态下的稳定相。可以看出,退火温度是决定hfo2膜结构的重要参数。 3.2hfo2薄膜的形态分析

退火温度对高介电HfO2薄膜微观结构和形貌的影响

我们使用(fe-sem)(jeoljsm-6700f)扫描电子显微镜观察在不同热处理温度下hfo2/si栅极介电膜的表面形态。沉积的hfo2膜由许多颗粒组成,并且在膜的表面上存在许多空隙,并且显然垂直于表面方向的粗糙度很大。这种粗糙的表面形态和小空隙的存在表明hfo2膜可能是岛状成核。随着退火温度的升高,hfo2膜的表面趋于平坦,并且小的空隙消失,伴随着小颗粒的生长。这是因为在外部热处理期间表面原子动能增加,这促进了原子在hfo2膜表面上的移动。当原子移动到表面台阶缺陷位置(例如沉积状态下的空隙)时,很容易停留在那里。大量原子煽动最终使粗糙的薄膜表面反转趋于变平。

以上也可以根据陈和麦肯锡的成核理论来解释。成核过程涉及晶核的形成和生长。成核速率表示为

的dn/dT=noexp(-δgn/RT)(1)

这里没有常数,n是成核形成的数量,而δgn是吉布斯自由能的变化。细胞核的生长速率表示为U=uoexp(-δeu/RT)(2)

Uo是常数,eu代表成核生长的活化能。对于沉积样品,400℃低温等离子体氧化,外部热能不能满足吉布斯自由能的变化,因此,低温等离子体氧化,衬底温度低,吸附原子的扩散速率不足表面,不能导致薄膜成核生长和形成。当在600℃下退火时,已经满足成核条件并且开始发生成核。膜基底与多种缺陷(孔隙和氧空位)之间的界面可以是膜内hfo2晶体的成核地址。如果这些缺陷集中在某些区域,则这些区域成为成核的优先区域。随着退火温度的进一步提高,成核速率根据式(3-1)非线性地增加,并且晶核的生长速率也增加。大量晶核与其他吸附原子结合生长成岛状,岛状物与其他吸附的气相原子结合形成均匀的hfo2膜。因此,我们可以得出结论,随着后退火温度的升高,hfo2薄膜经历从非晶态到结晶态的转变;这个结果与之前的xrd结论一致。

引用

[1]d.a.neumayer,e.cartier,材料表征,zro2-sio2和hfo2-sio2binaryoxidesdepositedbychemicalsolutiondeposition,j.appl.phys.90(2001)1801-1808。

[2]j.wang,h.p.li,r.stevens,hafniaandhafnia-toughenedceramicas,j.mat.sci.27(1992)5397-5430。

[3]k.kukli,j.ihanus,m.ritala,m.leskela,tailoringthedielectricpropertiesofhfo2-ta2o5nanolaminates,appl.phys.lett.68(1996)3737-3739。

[4]j.aarik,a.aidla,h.mndar,t.uustare,k.kukli,m.schuisky,phasetransformationsinhafniumdioxidethinfilmsgrownbyatomiclayerdepositionathightemperatures,appl.surf.sci.173(2001)15-21。[5]w.d.kingery,h.k.bowen,d.r.uhlmann,introductiontoceramics(johnwileysons,newyork,1996)。

[6]严学增泉,吴全德,李杰。薄膜物理[m]。北京电子工业出版社,1991。

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