论文部分内容阅读
微电子工业迅速发展，半导体器件的特征尺寸按摩尔定律不断缩小。SiO2作为MOSFET的栅介质材料已不能满足技术发展的要求。因此，需要寻找新型高K介质材料，能够在保持和增大栅极电容的同时，使介质层仍保持足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响。氧化铒（Er2O3）由于其比较高的介电常数，较大的禁带宽度和良好的热稳定性，成为下一代MOS栅介质强有力的竞争者。因此，本文选择氧化铒作为COMS栅介质材料，旨在制备和研究具有良好结构和电学性能的高K栅介质材料。论文主要研究的内容有：
1研究Er2O3的制备技术和最佳工艺条件。采用射频反应磁控溅射法，以高纯Er（99．99%）为靶材，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，制备氧化铒薄膜。
2．采用电子能谱，扫描电镜（SEM）和XRD分析薄膜的成分，组织形貌和晶体结构。重点研究分析工作气体中Ar与O2的流量和退火温度对薄膜晶体结构和组织形貌的影响。结果表明：在室温下沉积的Er2O3薄膜是非晶态，600℃以上退火后，薄膜由非晶转变为多晶，可观察到较强的Er2O3的（222）、（400）和（440）特征峰，薄膜都表现出（222）方向的择优生长，同时氩氧比的增加有利于提高氧化铒薄膜的生长速率。
3．采用吸收光谱和椭圆偏振光谱，研究分析了氧化铒薄膜的光学性能。结果表明：Er2O3薄膜的折射率n随波长的增加急剧下降；在350-700nm的可见光波段，折射率随波长的增加缓慢减小，而在700-1000nm的红外波段，折射率基本保持常数。总体来看随着反应气体中Ar气比例的增加，折射率增大。在波长550nm处对应的折射率最大值为1．81。Er2O3薄膜的消光系数k在250-350nm的紫外波段，k随波长的增加急剧减小；在350～1000nm的可见及红外波段内接近于0，表明在此波段Er2O3薄膜的透光性很好。同时透射光谱表明：Er2O3薄膜在300～800nm范围内的透射率大于90%，禁带宽度Eg大于5．5eV。
4．研究分析了氧化铒薄膜的电学性能。在不同工艺条件下，制备了Er/Er2O3/Er（MIM）和Er/Er2O3/Si（MOS）结构，通过测试I-V特性曲线，C-V特性曲线，C-f特性曲线，分析了氩氧比和退火温度对氧化铒薄膜的介电常数、漏电流密度、击穿场强等电学性能与制备工艺条件的关系。结果表明：Ar：O2对介电常数有一定的影响，随着Ar：O2比的增加介电常数增加，未退火的样品，氩氧比为4：1，5：1，6：1，7：1的样品的介电常数分别为7．1，7．7，9．3，10．5。退火热处理使Er2O3薄膜的介电常数和击穿场强增加，使漏电流密度减小，即退火改善了Er2O3薄膜的介电特性，不同的退火温度对这些性能的有一定的影响。