HfOxNy薄膜的制备及其性能研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
维普资讯
２０ ０ ８年第 ５期 商丘职业技术学 院学报 第 ７卷 （ 总第 ３ 期 ） Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ ＱＵ Ｖ Ｃ ＴＯ Ａ Ｎ Ｅ Ｈ ＩＡ Ｏ Ｌ Ｇ ８ Ｏ Ｒ Ａ ＦＳ Ａ Ｇ Ｉ Ｏ Ａ Ｉ Ｎ ＬＡ Ｄ Ｔ Ｃ Ｎ Ｃ ＬＣ Ｌ Ｅ Ｅ
摘
要： 本文采用磁控溅射法制备 了 ＨＯＮ 高介 电薄膜 ， ｆｘ ｙ 结合 Ｘ Ｄ Ｘ Ｓ等手段 研究 了退火 温度对薄 膜的结 Ｒ 、Ｐ
构 和化学键态 的影响 ， 现 Ｎ的掺人使 Ｈ４ 峰位 向低能方 向移动 ． 发 ｆｆ 而随着退火温度 的升高 ，Ｈ４ 的双峰峰 位向着 ｆｆ 高结合能 的方 向移动 ， 这表明 Ｎ的含量 随着退火 温度 的升高 而降低 ． Ｒ Ｘ Ｄ结 果显 示 Ｎ的掺人 能提 高薄膜 的晶化
栅极 候选 材料 中 ， 受青 睐 ． 备 最近 的实验研 究 也表 明 ， ｆ 目前 最有 希望 在下 一代 Ｃ Ｓ工 艺 中代 替 ＳＯ ＨＯ 是 ＭＯ ｉ 的栅 材料 ． ｆ 不仅 具有适 中的介 电常数 值 （～ ５ ， 以在 不过 度提 高氧 化物堆 栈 高度 的情况 下 获得 所 需 ＨＯ ２ ）可 的等效 ＳＯ ｉ 厚度 （ Ｏ ； Ｅ Ｔ）而且 具有 相 当高 的禁 带 宽度 ， ｓ 的 导带偏 移 △Ｅ 对 ｉ ｃ大于 １ｅ 在 与栅 电极 和 ｓ 衬 Ｖ， ｉ 底接 触 时能保 持较 大的接 触势 垒 ， 特 性是 大 部 分 高 ｋ材 料 不 具备 的 该 ．但 是 ＨＯ ｆ 在较 低 的温 度 下 发 生 晶化 ， 导致多 晶薄 膜 的形成 ， 晶晶界是 产生 漏 电流 的一 个 重要 因素 ； 时 ， 多 同 由于 晶体 的各 向异 性 ， 晶 薄 多 膜 中晶粒 取 向的重 复性将 导致 薄膜 介 电和 电学 性能 的重 复性 差 ． 文 就 Ｎ 的掺入 对 ＨＯ 结 晶性 能的影 响进 本 ｆ
行探讨 ，．
１ 实 验
在 Ｎ ／ ｒＯ 混 合气 体气 氛下 ， Ａ／ 利用 射 频 反 应磁 控 溅 射 金 属 铪靶 （ ９ ９ ％ ） 积 了 厚 度 约 为 ２ ｍ 的 ９ ．９ 淀 ０ｎ ＨＯ Ｎ薄 膜． 积前 磁控 腔 内的基 压为 ３４×１ Ｐ ， 积过 程 中工作 压 强恒 定 在 ０ ２Ｐ ， 积 功率 和 速率 ｆ 淀 ． ０ ａ淀 ． ａ淀 分 别为 １０Ｗ 和 ０ １ ／ ， Ａ／ ０ ．５Ａ ｓＮ／ ｒＯ 的气流 分别 是 １ ，０和 １ ｅｍ． 了改 善 Ｈ Ｏ Ｎ ５３ ０ｓｅ 为 ｆｘ ｙ薄 膜 的质 量 ， 淀 将 积的 薄膜 在 ５０—１０ Ｃ 的 Ｏ 中进行 后期 退火 处理 ． ０ ００ｏ ：
ＨＯＮ ｆｘ ｙ薄膜 的 Ｎｌ 芯能级 Ｘ Ｓ谱图 ｓ Ｐ
作者简介 ： 王莹 （９ ８一） 女 ， １６ ， 河南商丘人 ， 商丘职业技术学院讲师 ， 主要从事应用物理教学与研究
・
８ ・ ８
维普资讯
王
莹， 张丽明 ：ｆｘ ｙ ＨＯＮ 薄膜 的制备及其性能研究
文章编号 ：６ １ １７（０ ８ ０ ０ ８ ０ １７ —８２ ２ ０ ）５— ０ ８— ３
Ｖ １ 。 ｏ５ ｏ ７ Ｎ ． ． Ｏ ｔ，０ ８ ｃ ２ ０ ．
Ｈ０Ｎ 薄膜的制备及其性能研究 ｆ ｙ ｘ
王 莹 ，张 丽 明
（ 商丘职业技术 学院 ， 河南 商 丘 ４ ６０ ） ７ ０ ０
第５ 期
在 薄膜 中 的氧 以及 退火 过 程 中炉壁 上吸 附 的氧在 退火 过 程 中替 代 了薄 膜 中的氮 原 子 ． 导致 薄 膜 中氮 含量 的 降低 ， 氧含量 的增 加 ．
为进一步分析 ＨＯ Ｎ薄膜的表面化学信息随退火温度 的变化情况 ， ２给出了淀积态和 ８０Ｃ退火处 ｆ 图 ０￣ 理 的 ＨＯ Ｎ 薄膜 的 Ｈ４ 芯能 级 Ｘ Ｓ谱 图． 于淀 积态 的薄 膜 ， 面层 的 Ｈ４７和 Ｈ４５ 分别 位于 １ ． Ｖ ｆ ｆｆ Ｐ 对 表 ｆｆ２ ／ ｆｆ２ ５８ｅ 和 １． Ｖ， ７ １ｅ 随着 退 火温度 的升高 ， 我们 发现 Ｈ４ 的双 峰峰 位 向着 高结 合 能 的方 向移动 ．０ ￣ 火后 ， 面 ｆｆ ８０Ｃ退 表 层 的 Ｈ４７ 和 Ｈ ４５ 分别 位 于 １ ． Ｖ 和 １ ． Ｖ， ｆｆ２ ｆｆ２ ６ ４ｅ ８ ０ ｅ 此时对 应 于纯 Ｈ Ｏ 的 Ｈ４ 结合 能 ． ａｇ等人 的研究 表 ｆ２ 薄膜 ，退火温度 ； 磁 ＨＯＮ ； 化学键态
中 图分 类 号 ： ６ ０９ 文献 标 识 码 ： Ａ
－
ＩＢ元 素 由于其 独特 的物 理和介 电特 性 ， 应 的 氧化 物 与 硅 能相 互 兼 容 ， Ｖ 对 热稳 定 性 突 出 ， 未 来 的 高 ｋ 在
２ 结果 分 析 与讨 论
２ １ ＨＯ Ｎ ． ｆｘ ｙ薄膜 的光 电子 能谱 分析
图 １显示 了淀积 态 和经 过 ５ ０ ｏ 及 ８ ０℃ 退 火 处 ０ Ｃ ０
理 的 ＨＯ Ｎ ｆｘ ｙ薄 膜 的 Ｎ 能级 Ｘ Ｓ谱 图 ． 于淀 积 态 Ｉ Ｓ芯 Ｐ 对
旦
Ｃ
：
的薄膜 ， 在结合能为 ３６ ０ｅ ９ ． Ｖ处 出现 了一个 明显 的峰 位， 对应 于 Ｎ —Ｈ 键 的键 能 ｊ 说 明利 用 磁 控 溅 射 法 将 ｆ ，
ｏ
Ｉ 丽
Ｃ
３ 三
Ｂｎ ｉｇｅ ｅｇ ｏ ） ｉｄｎ ｎ ｒｙ（ｖ
可以看出， 用物理气相淀积法制备的 ＨＯ Ｎ ｆｘ ｙ薄膜 ， 由于 低 温 形成 的 Ｎ—Ｈｆ 中 Ｎ 键很 不稳 定 ， 积过 程 中吸 附 键 淀
收稿 日期 ：０ ８— ３—０ ２０ ０ ８
图 １ 淀 积 态 ５０ ｏ 和 ８０ ｏ 退 火 的 ０ Ｃ ０ Ｃ
Ｎ有 效掺 杂到 ＨＯ ｆ２薄 膜 中． 由图还可 以看 出随着 退火 温 度 的升 高 ， Ｎ—Ｈ 键 峰 位 的强 度 明显 降低 ．０ ｆ ８０ｏ 火 的 Ｃ退 薄膜 已经 没有 发现 有 Ｎ １ Ｓ峰的存 在 ． 通过 Ｘ Ｓ定 量 分 析 Ｐ 结果 可 以得到 淀 积 态 和 ５０ ｏ 退 火 的 薄 膜 的化 学 计 量 ０ Ｃ 比分 别为 ＨＯ ．９ ０５ ｆ０５ Ｎ ．５和 ＨＯ ．９ ０ ２ ． ｆ１ １Ｎ ．８ 由实 验 结果
２０ ０ ８年第 ５期 商丘职业技术学 院学报 第 ７卷 （ 总第 ３ 期 ） Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ ＱＵ Ｖ Ｃ ＴＯ Ａ Ｎ Ｅ Ｈ ＩＡ Ｏ Ｌ Ｇ ８ Ｏ Ｒ Ａ ＦＳ Ａ Ｇ Ｉ Ｏ Ａ Ｉ Ｎ ＬＡ Ｄ Ｔ Ｃ Ｎ Ｃ ＬＣ Ｌ Ｅ Ｅ
摘
要： 本文采用磁控溅射法制备 了 ＨＯＮ 高介 电薄膜 ， ｆｘ ｙ 结合 Ｘ Ｄ Ｘ Ｓ等手段 研究 了退火 温度对薄 膜的结 Ｒ 、Ｐ
构 和化学键态 的影响 ， 现 Ｎ的掺人使 Ｈ４ 峰位 向低能方 向移动 ． 发 ｆｆ 而随着退火温度 的升高 ，Ｈ４ 的双峰峰 位向着 ｆｆ 高结合能 的方 向移动 ， 这表明 Ｎ的含量 随着退火 温度 的升高 而降低 ． Ｒ Ｘ Ｄ结 果显 示 Ｎ的掺人 能提 高薄膜 的晶化
栅极 候选 材料 中 ， 受青 睐 ． 备 最近 的实验研 究 也表 明 ， ｆ 目前 最有 希望 在下 一代 Ｃ Ｓ工 艺 中代 替 ＳＯ ＨＯ 是 ＭＯ ｉ 的栅 材料 ． ｆ 不仅 具有适 中的介 电常数 值 （～ ５ ， 以在 不过 度提 高氧 化物堆 栈 高度 的情况 下 获得 所 需 ＨＯ ２ ）可 的等效 ＳＯ ｉ 厚度 （ Ｏ ； Ｅ Ｔ）而且 具有 相 当高 的禁 带 宽度 ， ｓ 的 导带偏 移 △Ｅ 对 ｉ ｃ大于 １ｅ 在 与栅 电极 和 ｓ 衬 Ｖ， ｉ 底接 触 时能保 持较 大的接 触势 垒 ， 特 性是 大 部 分 高 ｋ材 料 不 具备 的 该 ．但 是 ＨＯ ｆ 在较 低 的温 度 下 发 生 晶化 ， 导致多 晶薄 膜 的形成 ， 晶晶界是 产生 漏 电流 的一 个 重要 因素 ； 时 ， 多 同 由于 晶体 的各 向异 性 ， 晶 薄 多 膜 中晶粒 取 向的重 复性将 导致 薄膜 介 电和 电学 性能 的重 复性 差 ． 文 就 Ｎ 的掺入 对 ＨＯ 结 晶性 能的影 响进 本 ｆ
行探讨 ，．
１ 实 验
在 Ｎ ／ ｒＯ 混 合气 体气 氛下 ， Ａ／ 利用 射 频 反 应磁 控 溅 射 金 属 铪靶 （ ９ ９ ％ ） 积 了 厚 度 约 为 ２ ｍ 的 ９ ．９ 淀 ０ｎ ＨＯ Ｎ薄 膜． 积前 磁控 腔 内的基 压为 ３４×１ Ｐ ， 积过 程 中工作 压 强恒 定 在 ０ ２Ｐ ， 积 功率 和 速率 ｆ 淀 ． ０ ａ淀 ． ａ淀 分 别为 １０Ｗ 和 ０ １ ／ ， Ａ／ ０ ．５Ａ ｓＮ／ ｒＯ 的气流 分别 是 １ ，０和 １ ｅｍ． 了改 善 Ｈ Ｏ Ｎ ５３ ０ｓｅ 为 ｆｘ ｙ薄 膜 的质 量 ， 淀 将 积的 薄膜 在 ５０—１０ Ｃ 的 Ｏ 中进行 后期 退火 处理 ． ０ ００ｏ ：
ＨＯＮ ｆｘ ｙ薄膜 的 Ｎｌ 芯能级 Ｘ Ｓ谱图 ｓ Ｐ
作者简介 ： 王莹 （９ ８一） 女 ， １６ ， 河南商丘人 ， 商丘职业技术学院讲师 ， 主要从事应用物理教学与研究
・
８ ・ ８
维普资讯
王
莹， 张丽明 ：ｆｘ ｙ ＨＯＮ 薄膜 的制备及其性能研究
文章编号 ：６ １ １７（０ ８ ０ ０ ８ ０ １７ —８２ ２ ０ ）５— ０ ８— ３
Ｖ １ 。 ｏ５ ｏ ７ Ｎ ． ． Ｏ ｔ，０ ８ ｃ ２ ０ ．
Ｈ０Ｎ 薄膜的制备及其性能研究 ｆ ｙ ｘ
王 莹 ，张 丽 明
（ 商丘职业技术 学院 ， 河南 商 丘 ４ ６０ ） ７ ０ ０
第５ 期
在 薄膜 中 的氧 以及 退火 过 程 中炉壁 上吸 附 的氧在 退火 过 程 中替 代 了薄 膜 中的氮 原 子 ． 导致 薄 膜 中氮 含量 的 降低 ， 氧含量 的增 加 ．
为进一步分析 ＨＯ Ｎ薄膜的表面化学信息随退火温度 的变化情况 ， ２给出了淀积态和 ８０Ｃ退火处 ｆ 图 ０￣ 理 的 ＨＯ Ｎ 薄膜 的 Ｈ４ 芯能 级 Ｘ Ｓ谱 图． 于淀 积态 的薄 膜 ， 面层 的 Ｈ４７和 Ｈ４５ 分别 位于 １ ． Ｖ ｆ ｆｆ Ｐ 对 表 ｆｆ２ ／ ｆｆ２ ５８ｅ 和 １． Ｖ， ７ １ｅ 随着 退 火温度 的升高 ， 我们 发现 Ｈ４ 的双 峰峰 位 向着 高结 合 能 的方 向移动 ．０ ￣ 火后 ， 面 ｆｆ ８０Ｃ退 表 层 的 Ｈ４７ 和 Ｈ ４５ 分别 位 于 １ ． Ｖ 和 １ ． Ｖ， ｆｆ２ ｆｆ２ ６ ４ｅ ８ ０ ｅ 此时对 应 于纯 Ｈ Ｏ 的 Ｈ４ 结合 能 ． ａｇ等人 的研究 表 ｆ２ 薄膜 ，退火温度 ； 磁 ＨＯＮ ； 化学键态
中 图分 类 号 ： ６ ０９ 文献 标 识 码 ： Ａ
－
ＩＢ元 素 由于其 独特 的物 理和介 电特 性 ， 应 的 氧化 物 与 硅 能相 互 兼 容 ， Ｖ 对 热稳 定 性 突 出 ， 未 来 的 高 ｋ 在
２ 结果 分 析 与讨 论
２ １ ＨＯ Ｎ ． ｆｘ ｙ薄膜 的光 电子 能谱 分析
图 １显示 了淀积 态 和经 过 ５ ０ ｏ 及 ８ ０℃ 退 火 处 ０ Ｃ ０
理 的 ＨＯ Ｎ ｆｘ ｙ薄 膜 的 Ｎ 能级 Ｘ Ｓ谱 图 ． 于淀 积 态 Ｉ Ｓ芯 Ｐ 对
旦
Ｃ
：
的薄膜 ， 在结合能为 ３６ ０ｅ ９ ． Ｖ处 出现 了一个 明显 的峰 位， 对应 于 Ｎ —Ｈ 键 的键 能 ｊ 说 明利 用 磁 控 溅 射 法 将 ｆ ，
ｏ
Ｉ 丽
Ｃ
３ 三
Ｂｎ ｉｇｅ ｅｇ ｏ ） ｉｄｎ ｎ ｒｙ（ｖ
可以看出， 用物理气相淀积法制备的 ＨＯ Ｎ ｆｘ ｙ薄膜 ， 由于 低 温 形成 的 Ｎ—Ｈｆ 中 Ｎ 键很 不稳 定 ， 积过 程 中吸 附 键 淀
收稿 日期 ：０ ８— ３—０ ２０ ０ ８
图 １ 淀 积 态 ５０ ｏ 和 ８０ ｏ 退 火 的 ０ Ｃ ０ Ｃ
Ｎ有 效掺 杂到 ＨＯ ｆ２薄 膜 中． 由图还可 以看 出随着 退火 温 度 的升 高 ， Ｎ—Ｈ 键 峰 位 的强 度 明显 降低 ．０ ｆ ８０ｏ 火 的 Ｃ退 薄膜 已经 没有 发现 有 Ｎ １ Ｓ峰的存 在 ． 通过 Ｘ Ｓ定 量 分 析 Ｐ 结果 可 以得到 淀 积 态 和 ５０ ｏ 退 火 的 薄 膜 的化 学 计 量 ０ Ｃ 比分 别为 ＨＯ ．９ ０５ ｆ０５ Ｎ ．５和 ＨＯ ．９ ０ ２ ． ｆ１ １Ｎ ．８ 由实 验 结果