高介电常数薄膜的制备及物理性质的研究
Fabrication and physical properties of high dielectric constant oxide thin films
日益增长的信息技术对高速、低功耗超大集成电路的需求,使得高介电常数薄膜的制备及相关物性的研究被广泛关注.钙钛矿相钛酸锶钡薄膜具备十分优越的铁电/介电性能,在可调谐微波器件、移相器、动态随机存储器(DRAM)等方面显示出十分诱人的应用前景.另一方面,晶体管尺寸的不断缩小,使得作为MOS栅氧化物和DRAM电容介质的SiO?层迅速减薄,直逼其物理极限.对高κ薄膜的研究和开发提出了越来越迫切的要求.因此,高介电常数薄膜的制备和性能方面的研究是当今国际信息和微电子领域的前沿研究课题. 本文采用射频磁控溅射沉积技术制备了应用于可调微波器件的钛酸锶钡(BST)薄膜,并对其电性能进行了研究.在Pt(111)/Si(001)衬底上制备钛酸锶钡介电薄膜的过程中,通过精确控制溅射沉积气压,成功寻找到了具有优异电性能的近化学计量比的钛酸锶钡薄膜最佳工艺路线.钛酸锶钡薄膜的(Ba+Sr)/Ti比率在20mTorr到60 mTorr溅射沉积气压范围内,从0.73增加到1.06.系统研究了钛酸锶钡薄膜的晶体结构、样品表面和截面形貌、介电性质以及极化曲线.薄膜的介电常数和可调谐率显著依赖于薄膜的(Ba+Sr)/Ti比率.在50mTorr溅射沉积气压下制备得到的近化学计量比的钛酸锶钡薄膜在100kHz频率,10V应用电压下具有最大的介电常数和最大的可调谐率.与BST中(Ba+Sr)/Ti=1的标准化学计量比较而言,比率数值低于4%或高于6%,薄膜的介电常数和可调谐率均将下降.但是,对于远偏离化学计量比的薄膜,虽然具有小的介电常数和可调谐率,但是其介电损耗低于其它样品一个数量级. 成功的在没有Ti黏附层存在的Pt(111)/Si(001)衬底上制备了单一高度择优取向的(111)织构Ba?.?Sr?.?TiO?薄膜.(111)织构Ba?.?Sr?.?TiO?薄膜在455kV/㎝电场下不仅具有49.4%的高调谐性,而且具有3.90*10??A/㎝2的低漏电流密度,薄膜样品的品质因子K为31.6,可以作为微波器件的候选材料.在(111)织构Ba?.?Sr?.?TiO?薄膜中,其漏电流机理符合空间电荷限制传输电流(SCLC)行为. 采用非晶Ni-Al作为Si和LSCO底电极之间的扩散阻挡层,利用射频磁控溅射法在Si(001)衬底上成功制备了BST/LSCO异质结构.实验研究表明所得到的Pt/BST/LSCO异质铁电电容器结构,在100kHz频率,室温下BST薄膜的介电常数为977,介电损耗为0.036,表现为铁电相.在40V直流偏压(场强为667kV/㎝), 100kHz下具有20.2%的可调谐性.薄膜在667kV/㎝的最大正向电场强度下的漏电流密度为2.2*10??A/㎝2.虽然作为多晶薄膜,其介电损耗偏大,但其接近一千的介电常数足可以和单晶BST薄膜相比较.其漏电流机理为空间电荷限制电流(SCLC)机制. 实验在传统氧化物材料中,通过适量的掺杂,制备了一种可作为高κ栅介质氧化物的新型材料:掺杂18%摩尔比的HfO?的CeO?薄膜(定义为:HDC).实验证实了掺杂18%摩尔比的HfO?的CeO?薄膜依然可以保持立方结构,并且可以在较高氧压下采用脉冲激光沉积的方法成功制备了(111)取向的高κ薄膜.HDC高κ薄膜和Si基体之间的取向关系,可描述为(111)〓//(001)〓和[110]〓//[110]〓.由于掺杂18%摩尔比的HfO?的缘故,HDC的介电常数从纯的CeO?薄膜所具有的~26.5降低到~19.5.在1V偏压下,25nm厚度的HDC薄膜的漏电流密度相对于相同厚度的纯CeO?薄膜的漏电流密度显著降低了4个数量级.HDC薄膜的生长方式可以通过控制沉积氧压的简单方式来实现.HDC薄膜展现出很好的漏电流密度以及适宜的介电常数κ,实验数据充分说明,HDC是一类很有应用前景的高κ栅介质氧化物候选材料. 关键词:高介电常数材料;钛酸锶钡;高κ栅介质;射频磁控溅射;脉冲激光沉积
- 作者：
- 王毅
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 杜军；刘保亭；杨志民
- 关键词：
- 铁电材料；钛酸锶钡；薄膜技术；介电常数；半导体陶瓷
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