（大连东软信息学院）
摘要：随着现代集成电路的发展，提出了要以其他具有高介电常数的材料来代替SiO2，高K氧化物材料成为这一领域热门研究方向。HfO2材料作为SiO2最好的替代物，与硅基电路集成时有良好的兼容性。相比较于传统的铁电材料，经过特殊处理的HfO2基薄膜同样具备铁电性。这样，传统的铁电材料有望突破制约非易失性铁电存储器发展的材料瓶颈。本论文以探究HfO2薄膜质量为背景，以射频磁控溅射法制备HfO2薄膜，通过使用X射线衍射仪（XRD）对薄膜的物相组成与结晶情况进行表征分析，SEM表征薄膜样品的表面形貌。
1.引言
近些年的快速发展中，CMOS集成电路的沟道长度已经降低到现今的几十纳米，例如在英特尔公司生产的芯片中，其栅极厚度已经降低至45纳米。在45纳米这个尺寸下，栅极中的等效氧化层的厚度必须低于3纳米，传统的氧化硅栅介质材料的厚度将会降低为1纳米，这样对于氧化硅材料会导致其漏电流增大，即发生量子隧穿效应。应用最为广泛的栅介质材料二氧化硅厚度将到达其尺寸极限，为了应对此现象，可以提高晶体管中介层的相对物理厚度来现器件的尺寸持续降低，于是有学者们就提出了要以其它具有高介电常数的材料来代替二氧化硅。
在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。任何潜在的高K栅极电介质的明确目标是使硅沟道获得高质量的界面，伴随着沉积处理后期栅极氧化物的非晶结构的生成。不幸的是，高K氧化物具有低的结晶温度，而作为单一非晶相的稳定性高达800-1000ºC是CMOS热处理所需要的。这种要求是因为晶界扩散路径作为掺杂剂和氧化膜界面。因此，从技术角度来看，与多晶栅极电介质膜相比，非晶层的优点是具有较低的漏电流，更好的均匀性，以及最终对电性能的更高的再现性。然而，到目前为止，栅极电介质的结构和器件性能之间的相关性仍需要详细研究。为了致力于解决这个问题，防止沉积氧化铪层与硅衬底之间的化学反应。学者们提出在高K材料和硅衬底之间形成氮氧化物和（或）氮化物阻挡层。在人们持续不断的研究中，发现一系列可以作为氧化硅替代者的高介电常数材料，氧化铪是最佳候选。
2.实验
实验采用沈阳科学仪器公司生产的TRP-450高真空三靶磁控溅射系统，P-Si（100）衬底上沉积HfO2薄膜，本底真空度为3×10-4Pa，工作气压0.4pa，溅射功率120W，溅射时间70min，衬底温度分别为：30°C、100°C、200°C、250°C、300°C、350°C、400°C。
3.结果与分析
3.1 衬底温度对薄膜沉积速率的影响
图1 薄膜沉积速率随衬底温度变化的曲线
在较低衬底温度下,临界核可以是单个原子,这一原子通过无序过程与另一个原子形成原子对,从而变成稳定的原子团并自发生长,在这种情况下沉积薄膜时具有较高的成核率,有利于薄膜的生长,沉积速率较高。当衬底温度升高时,一对原子可以不再是稳定的原子团,从而成核率下降,并且薄膜本身的蒸发也加快,这两个因素都不利于薄膜的生长,使得薄膜的沉积速率降低。但是衬底温度的升高又有利于原子的扩散,从而促进了薄膜的生长。在本实验中,当衬底温度较低时,薄膜的成核率较高,蒸发量较低,因而薄膜生长较快;衬底温度在200℃-350℃区间时,成核率降低,薄膜自身蒸发加快,但原子的扩散过程也加快,这几种相互竞争的因素共同作用,使得沉积速率随衬底的温度变化改变不大。当衬底温度从350℃增加到400℃时,原子的扩散没有显著加快,但成核率下降,薄膜蒸发加快,导致薄膜沉积速率降低较快。
3.2 衬底温度对薄膜表面形貌的影响
图2 不同衬底温度下HfO2薄膜XRD图谱
图2为磁控溅射的HfO2薄膜XRD图谱。从图中可以看出:随着衬底温度的升高，HfO2薄膜的结构从非晶态向单斜多晶相转变。室温下制备的HfO2薄膜呈现非晶态,当衬底温度增至100℃时,薄膜出现明显的单斜晶向;随衬底温度增加(111)峰强度增加,当衬底温度达到350℃时,(011)、(002)、(220)峰强度明显变弱,(111)择优取向更加明显。田光磊等使用电子束蒸发方法制备的HfO2薄膜在低于450℃时呈现非晶态,而使用离子束辅助和离子束溅射的薄膜在300℃以下时呈现非晶态。可见,不同制备方法制备的HfO2薄膜晶化温度差异较大。磁控溅射制备的HfO2薄膜晶化温度较低,可以认为是到达衬底的HfO2分子的动能较大,当其达到衬底表面与衬底发生碰撞时,大部分的分子动能转化为热能,加热了衬底表面,使得虽然仪器显示的温度较低,但HfO2分子却是在一个较高的实际温度下结晶。
4.结语
随着衬底温度的增加，HfO2沉积速率逐渐下降。200-350°C时，沉积速率变化不明显，当衬底温度高于350°C时，沉积速率快速下降。且随着衬底温度的升高，薄膜（111）取向更加明显。
参考文献
[1]Mueller．S，Mueller．J，Singh．A，et al．Incipient Ferroelectricity in AL-Doped HfO2 Thin Films [J]，Advanced Functional Materials，2012，22（11）：2412-2417
[2]Khomenkova．L，Dufour．C，Coulon．PE，et al．High-k Hf-based layers grown by RF magnetron sputtering[J]，Nanotechnology，2010，21（9）：1021-1024.
论文作者:丁可莹
论文发表刊物:《知识-力量》2019年6月中
论文发表时间:2019/3/14
标签：衬底论文; 薄膜论文; 温度论文; 栅极论文; 速率论文; 材料论文; 成核论文; 《知识-力量》2019年6月中论文;