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随着超大规模集成电路技术的快速发展,其基本元器件场效应晶体管的特征尺寸按摩尔定律持续不断地缩小。常规栅介质材料(SiO2)由于介电常数偏低已不能满足场效应晶体管应用要求,研发高介电栅介质材料已成为目前微电子材料研究的热点。高介电材料的基本要求有:(1)高的介电常数(≥10)。(2)与衬底有好的界面稳定性(3)高的电子空穴势垒高度(〉1eV)(4)薄膜为非晶态。然而目前所研究的新型栅介质材料大多存在着晶化温度低、界面热稳定性差等一系列问题,这些问题的存在严重阻碍了栅介质材料的应用。为了解决这些瓶颈问题,本论文选择具有中等介电常数(～15)的Y2O3薄膜和高介电常数(～25)的HfO2薄膜作为研究对象,以磁控溅射为主要手段,发展了两种氮掺杂技术,实现了氮掺杂量的可控。通过氮掺杂提高了薄膜的介电常数、减小了薄膜的缺陷,并达到了对薄膜界面结构的控制及对薄膜价带偏移和导带偏移的有效调控。研究了氮掺杂对超薄膜性能的影响规律,优化了超薄膜制备工艺参数和综合性能,为高介电栅介质材料的设计提供了科学依据。主要的创新如下:
1.系统研究了氮掺杂和界面中间相生成的相关性。发现氮掺杂能有效地抑制Y2O3/Si界面中Si-O-Si键的生成,提高界而稳定性。XPS分析结果表明:N原子在YOxNy薄膜中以N-O健和N≡O3健两种结合态存在。N-O健的生成能够阻止退火气氛中的氧原子在Y2O3薄膜中的扩散,从而有效抑制了界面层SiO2的生长。
2.系统研究了氮掺杂对薄膜介电常数的影响。提出了谐振偶极子模型,证明了氮掺杂能够提高薄膜的介电常数。利了椭圆偏振仪系统的研究了HfOxNy薄膜的光学特性,通过消光系数定性的表征了薄膜的缺陷密度。采用Sellmeier色散方程对HfoxN。薄膜的折射率色散曲线进行描述,并计算出了不同氮浓度下的Sellmeier光学系数,分析了氮掺杂对薄膜能带结构的影响。
3.系统研究了不同氮含量对薄膜带隙及其与硅衬底之间价带偏移和导带偏移的影响规律。研究表明:随着薄膜中氮含量的增加,薄膜的带隙以及价带偏移和导带偏移均呈减小趋势,并且当薄膜中氮含量达到16.3％时,其导带偏移减小到只有0.88 eV,小于了栅介质薄膜导带偏移大于1 ev的基本要求,因此,严格控制氮的掺入量对全方位优化薄膜的性能至关重要。
通过以上研究结果,本论文对氮掺杂的规律和条件进行了全面的分析,确定了优化栅介质薄膜最佳的掺氮量和制备参数。根据栅介质薄膜导带偏移大于1 eV的基本要求,确定了氮掺杂量的阈值。这些研究结果为高介电栅介质材料在场效应晶体管中的实际应用提供了重要参数。