淺談退火溫度對高介電ｈｆｏ2薄膜的微結(jié)構(gòu)和形貌的影響

1、淺談退火溫度對高介電2薄膜的微結(jié)構(gòu)和形貌的影響    摘 要：采用等離子氧化金屬薄膜法制備了hfo2柵介質(zhì)薄膜,并研究了hfo2柵介質(zhì)薄膜的微結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)隨退火溫度的變化而發(fā)生的變化規(guī)律。研究表明:隨著退火溫度的升高，hfo2薄膜的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從沉積時的非晶態(tài)過渡到晶態(tài)，從四方轉(zhuǎn)變到四方和單斜相共存，最后又過渡到單斜相。掃描電鏡分析表明隨著退火溫度的升高，hfo2薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨向致密與平整。 關(guān)鍵詞：hfo2薄膜; 等離子氧化; 微結(jié)構(gòu); 形貌 1 引言 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，mosfet 特征尺寸按摩爾定律不斷縮小，作為柵介質(zhì)層sio2

2、 的厚度迅速接近它的物理極限，以此為背景應(yīng)用于下一代mosfet 的高介電柵介質(zhì)材料成為當(dāng)今微電子材料的研究熱點(diǎn)。hfo2是目前最有希望在下一代cmos工藝中代替sio2的柵材料。hfo2不僅具有適中的介電常數(shù)值(25)，可以在不過度提高柵氧化物堆棧高度的情況下獲得所需的等效si02厚度(eot) ；而且具有相當(dāng)高的禁帶寬度，對si的導(dǎo)帶偏移ec大于1 ev，在與柵電極和si襯底接觸時能保持較大的接觸勢壘, 該特性是大部分高k材料不具備的。高的勢壘可有效地阻止電子(或空穴)的schottky穿過，即降低了超薄膜的隧穿電流。hfo2在能帶結(jié)構(gòu)上很好地滿足了高k材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)。 2 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)所用

3、的襯底為單面拋光的p 型單晶si(100),阻值412cm, 在硅襯底上沉積hfo2 之前，我們對襯底進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的清洗和高壓電離清洗。磁控濺射系統(tǒng)的本底真空小于2×10-4pa, 濺射的鉿靶純度為99.99%,濺射的氣體為高純度的ar(99.999%),直流濺射的功率為40w，濺射氣壓達(dá)3.5pa,濺射時間5min, 所獲取的金屬鉿膜轉(zhuǎn)移到等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積腔室中，經(jīng)換位等離子體氧化直接得到hf2薄膜；等離子體氧化時所設(shè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為，通入的ar:o2=6:1,工作氣壓19pa, 工作功率200w，襯底盤溫度設(shè)置為400oc,氧化時間30min。沉積態(tài)的hfo2 薄膜經(jīng)500-90

4、0oc的o2 或n2的快速熱退火，時間為5min,獲得所需樣品。利用x 射線衍射儀對樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描電子顯微鏡對樣品的形貌進(jìn)行觀察。 3 結(jié)果與討論 3.1 hfo2 薄膜的結(jié)構(gòu)分析 沉積態(tài)的薄膜沒有衍射峰，呈明顯的非晶態(tài)，表明等離子氧化未導(dǎo)致薄膜的晶化。氧氛圍500°c退火明顯看到了hfo2薄膜呈現(xiàn)晶化的趨勢。2=30.3o弱的衍射峰出現(xiàn)了，對應(yīng)為四方結(jié)構(gòu)的hfo2，這一結(jié)果和 d.a.neumayer 報道的hfo2的晶化溫度非常接近。繼續(xù)提高退火溫度，發(fā)現(xiàn)hfo2 的物相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。對應(yīng)單斜相結(jié)構(gòu)的hfo2的(-111)晶面的衍射峰開始出現(xiàn)在600°c的退火

5、樣品中,薄膜開始由單一的四方相向四方和單斜共存的多晶轉(zhuǎn)變。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，四方相的hfo2消失，取而代之的是全部的單斜相。一般來說，hfo2在常壓下呈單斜相，諸如四方、立方、正交等晶相只有在高壓或高溫情況下才能穩(wěn)定存在。然而很多文獻(xiàn)觀察到在一定生長條件下，這些亞穩(wěn)相被“凍結(jié)”而出現(xiàn)在薄膜中，500°c氧化的樣品中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象與之類似。hfo2的物相結(jié)構(gòu)隨著退火溫度的變化表明了: 四方相的hfo2是低溫退火時的一個亞穩(wěn)相，具有較大的不穩(wěn)定性。單斜相的hfo2是高溫態(tài)的穩(wěn)定相。由此可見退火溫度是決定hfo2 薄膜結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。 3.2 hfo2薄膜的形貌分析 我們利用(fe

6、-sem) (jeol jsm-6700f) 掃描電鏡觀察了不同熱處理溫度下的hfo2/si 柵介質(zhì)薄膜的表面形貌特征。沉積態(tài)的hfo2 薄膜是有許多顆粒組成的，且薄膜表面還有許多空洞，且明顯的看到垂直于表面方向的粗糙很大。如此粗糙的表面形貌和小空洞的存在說明hfo2 薄膜很可能是島狀成核生長的。隨著退火溫度升高，hfo2 薄膜表面趨向于平整，且小空洞隨之消失，伴隨著小顆粒的長大。這是因?yàn)橥饨绲臒崽幚磉^程中，表面原子徒動能增加，促進(jìn)了原子在hfo2 薄膜表面的移動，當(dāng)原子移動到表面臺階缺陷位置時，(如沉積態(tài)下的空洞)， 便容易停留在那里。大量的原子的徒動最終倒置了粗糙的薄膜表面趨于平整。 以上

7、也可以根據(jù)chen 和mackenize 的形核理論進(jìn)行解釋。形核過程包括晶核的形成和長大。形核率表示為： dn/dt=noexp(-gn/rt)(1) 這里no 是常數(shù)，n 是晶核形成數(shù)量，gn 是吉布斯自由能的改變。晶核的生長速率表示為： u=uoexp(-eu/rt)(2) uo 是常數(shù)，eu 代表晶核生長的激活能。對于沉積態(tài)的樣品，400°c 低溫等離子氧化，外界提供的熱能不能滿足吉布斯自由能的改變量，因此，低溫等離子氧化，基底溫度低，吸附原子在表面擴(kuò)散速率不足，不能導(dǎo)致薄膜內(nèi)的晶核生長與形成。當(dāng)600°c 退火時，形核條件已經(jīng)滿足，晶核開始產(chǎn)生。薄膜襯底間界面上以

8、及許多種類的缺陷(氣孔和氧空位)都可成為薄膜內(nèi)部hfo2 結(jié)晶的形核地址。如果這些缺陷集中在某些區(qū)域，那么，這些區(qū)域就成為晶核析出的優(yōu)先區(qū)。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，形核率按(3-1)式呈非線性上升，同時晶核生長速率也增加。大量的晶核再結(jié)合其他吸附原子長大成島，島再結(jié)合其他的吸附氣相原子逐漸形成了均勻的hfo2 薄膜。因此我們可以得出結(jié)論：hfo2 薄膜隨著后退火溫度的升高經(jīng)歷了由非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變；這一結(jié)果和前面的xrd 的結(jié)論是一致的。 參考文獻(xiàn) 1?d. a. neumayer, e. cartier, materials characterization of zro2-sio2 an

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