新型高k柵介質(zhì)La_xAl_yO薄膜的制備與性能研究

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1、｛謂專博士學位論文｜１Ｉ新型高ｋ柵介質(zhì)ＬａｘＡｌＯ薄膜的制備ｙ與性能研究作者姓名費晨曦Ｂ指導教師姓名、職稱劉紅俠教授申請學位類別工學博士學校代碼110701學號1211110074分類號TN4密級公開西安電子科技大學博士學位論文新型高k柵介質(zhì)LaxAlyO薄膜的制備與性能研究作者姓名：費晨曦一級學科：電子科學與技術二級學科：微電子學與固體電子學學位類別：工學博士指導教師姓名、職稱：劉紅俠教授學院：微電子學院提交日期：2016年9月FabricationandPropertiesStudyofNovelLa

2、xAlyOHigh-kGateDielectricThinFilmsAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyinElectromechanicalScienceandTechnologyByFeiChenxiSupervisor:LiuHongxiaTitle:ProfessorSeptember2016摘要摘要從19世紀80年代以來，隨著互補金屬氧化物半導體集成電路技術的發(fā)展，

3、微電子行業(yè)的發(fā)展也取得了巨大的成功。隨著摩爾定律的發(fā)展，金屬氧化物半導場效應晶體管的低功耗以及高速運轉(zhuǎn)的特性使其性能不斷發(fā)展，這也推進著微電子技術的不斷進步。SiO2作為柵極電介質(zhì)薄膜完美的應用于器件的溝道和柵極之間。然而隨著器件尺寸的不斷縮小，傳統(tǒng)的SiO2的厚度已經(jīng)減少到幾個原子層的物理厚度。由于柵氧化層厚度的減薄，由隧穿所導致的柵極漏電流不斷增大。所以尋找新的柵極介質(zhì)薄膜來替代傳統(tǒng)的SiO2已經(jīng)非常必要，由此就引出了高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料。和其它制備薄膜的方法相比，原子層淀積設備通過交替的表面吸附反應使得薄膜進行自限制生長。所以原子層淀積技術所制備的

4、薄膜有著高純度、好的致密性并且其能夠精確控制所制備薄膜的厚度。而且原子層淀積設備可以在低溫下進行薄膜的生長，其溫度可以設定在200-400°C。這些都使得在原子層淀積技術將來的集成電路產(chǎn)業(yè)中對柵極電介質(zhì)材料的制備有著極具吸引力的優(yōu)勢。在本文中，首先對原子層淀積技術制備LaAlO3薄膜的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，其次對制備的不同結(jié)構以及不同氧化劑的LaxAlyO薄膜的特性進行了研究，主要的研究內(nèi)容如下：1.研究了原子層淀積制備薄膜的生長工藝參數(shù)，如前驅(qū)體加熱溫度、薄膜淀積溫度、前驅(qū)體的脈沖和吹洗時間以及氧化劑的脈沖和吹洗時間對La2O3和Al2O3薄膜o淀積速率

5、的影響。研究表明當La的前驅(qū)體加熱溫度為180C時，當使用H2O為氧化劑，La前驅(qū)體的脈沖時間和吹洗時間分別為0.3s和4s，H2O的脈沖時間和吹洗時間分別為0.3s和8s，此時La2O3薄膜的淀積速率為0.07nm/cycle。當使用O3為氧化劑生長La2O3薄膜時，La前驅(qū)體的脈沖時間和吹洗時間分別為0.5s和8s，O3的脈沖時間和吹洗時間分別為0.5s和10s，此時La2O3薄膜的淀積速率為0.1nm/cycle。使用H2O為氧化劑生長Al2O3薄膜時，Al前驅(qū)體的脈沖時間和吹洗時間分別為0.1s和3s，H2O的脈沖時間和吹洗時間分別為0.1s和4

6、s，Al2O3薄膜的淀積速率為0.1nm/cycle。使用O3為氧化劑生長Al2O3薄膜時，Al前驅(qū)體的脈沖時間和吹洗時間分別為0.1s和3s，H2O的脈沖時間和吹洗時間分別為0.5s和4s，Al2O3薄膜的淀積速率為0.1nm/cycle。oo最后給出了淀積LaAlO3薄膜的最佳溫度區(qū)間：270C-320C。2.對不同前驅(qū)體淀積脈沖比的LaxAlyO薄膜進行了制備和研究，研究表明，隨著La和Al前驅(qū)體脈沖比例的增加，薄膜的介電常數(shù)也隨之增加，而等效氧化層厚度減小。當薄膜中La和Al前驅(qū)體脈沖比為3:1時，薄膜的介電常數(shù)達到最大，等效氧化層厚度相應的達到

7、最小值。這是因為薄膜中La含量的增加。此時薄膜中La、Al和O原子之比達到1:1:3，這個比例值達到了薄膜標準的化學式計量比。其次使用原I西安電子科技大學博士學位論文子層淀積技術制備了不同結(jié)構的La2O3/Al2O3/Si和Al2O3/La2O3/Si的薄膜并且對其退火前后的物理和電學特性進行了研究。研究表明薄膜中的C和N雜質(zhì)含量低并且薄膜的表面的平整度好。其次退火后Al2O3/La2O3/Si薄膜的介電常數(shù)，等效氧化層厚度以及電學特性得到改善。而對于La2O3/Al2O3/Si薄膜，由于La原子的擴散和La2O3薄膜的吸濕性使得退火后薄膜的等效氧化層厚

8、度增大，介電常數(shù)減小。而根據(jù)電學以及化學特性的分析得出，無論退火前后La2O3/