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高k电介质薄膜制备研究与集成薄膜电容探讨

徐文彬

   随着无线通信的飞速发展,电子器件越来越朝着微型化、薄膜化、集成化的方向发展,作为电路基本元件的电容也因此受到科技界的广泛关注。本文主要对薄膜电容进行研究,研究工作从两个方面展开:a.以MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)结构栅电容为应用背景的高介电常数电介质薄膜的研究;b.基于MIM(Metal-Insulator-Metal)结构和共面电极结构的集成薄膜电容研究。 本文第一部分以溅射沉积SiO_xN_y、TiO_2等高k电介质薄膜为研究主题,研究了溅射工艺对薄膜成分、结构的影响;并以MOS电容栅介质为应用背景,对薄膜电学性能进行了讨论。取得了如下研究成果: 1.研究了O_2/N_2/Ar混合气氛中SiO_xN_y薄膜的反应溅射沉积。通过对反应溅射机理研究和建模分析,找出了反应气体流量配比同溅射速率、薄膜成分间的关系;据此结合溅射系统的实际条件,确定了由1.0sccm氮气和9.5sccm氩气组成预置气体流量,再通过微调氧气流量对SiO_xN_y薄膜成分进行有效控制。这一混合气体控制方案实现了低温条件下溅射速率和成分控制之间的较好协调,在500W射频功率下SiO_xN_y薄膜的平均溅射速率达到15nm/min,并实现了对薄膜成分(氧原子比O/(O+N约0.3~0.8)和介电常数(4.3~6.7)的有效控制。实验结果优于现有报道的水平,相关成果已发表在SCI英文期刊上。 2.系统研究了工艺条件对TiO_2薄膜晶格结构的影响。研究表明,衬底温度影响薄膜结构,随着衬底温度的提高,薄膜逐步从锐钛矿相结构向热稳定性更好的金红石相为主的结构转变;溅射功率和溅射气压则通过影响衬底的离子流轰击强度作用于薄膜结构,轰击强度的增大也有助于金红石相比重的提高,但离子流轰击强度对薄膜晶格结构的影响是非线性的,溅射功率和气压增大到一定程度后,金红石结构的生长反而受到了抑制。文中同时研究了后续退火对TiO_2薄膜晶格结构的影响。薄膜的介电常数基本上是和金红石相的含量成正比的,当薄膜制备工艺(包括沉积和退火)倾向于促进薄膜的金红石结构生长时,介电常数会有相应的提高。所采取的制备条件有效地将TiO_2薄膜介电常数控制在30~80以内。 3.根据上述研究,以MOS电容栅介质为应用背景,系统研究了TiO_2、TiO_2/SiO_2、TiO_2/SiO_xN_y等不同结构电介质的电学性能。TiO_2/SiO_2、TiO_2/SiO_xN_y结构栅介质的漏电流分别比单纯TiO_2作栅介质时降低了50%和70%,同栅介质电荷相关的栅压偏移量也减少了1V以上,说明了层叠结构中SiO_2、SiO_xN_y等人工界面层在改善电学质量方面的作用。而同SiO_2相比,SiO_xN_y作界面层时栅介质电荷密度更低(栅压漂移量减小了0.2V左右),积累态电容值也高出了17%,但界面电学质量却是前者更具优势,我们认为这主要源于不同界面层作用下TiO_2层的不同扩散程度。SiO_xN_y中的N成分在抑制TiO_2层扩散方面的作用更显著,栅介质电荷密度因而更低,但N成分导致的界面化学键过约束状态则使得界面质量略显不足。这一区别也反映在漏电机制上,TiO_2/SiO_2的漏电机制倾向于体缺陷主导的Poole-Frankel机制,而TiO_2/SiO_xN_y的漏电机制倾向于界面缺陷主导的Schottkey Emission机制。总体而言,TiO_2/SiO_xN_y结构栅介质的综合性能更佳,有较好的发展前景。这一系统性研究工作对TiO_2等高k电介质薄膜的应用有重要意义。 本文第二部分研究了基于MIM(Metal-Insulator-Metal)结构和共面电极结构的集成薄膜电容,相关研究成果如下: 1.在陶瓷基片上制备了MIM结构集成薄膜电容,并研究了后续退火和偏压溅射对电容性能的影响。沉积后退火处理可以减少由粗糙衬底和沉积工艺造成的孔洞、缺陷及不连续状态,从而增大绝缘强度,减小电导损耗机制作用下的损耗因子。退火后电容最高击穿场强在10~7v/m以上,5MHz下损耗因子在0.01以下,但过度的热处理却破坏了原有的连续膜层,导致电容电学性能的恶化。偏压溅射通过高能离子轰击促进介质膜致密度的提高,改善电容性能。但离子轰击也导致了薄膜缺陷密度的增大,出现了电导损耗和弛豫损耗共同作用的损耗机制。强度过大的偏压溅射还可能造成破坏型离子轰击和衬底反溅,加剧电容性能的恶化。偏压溅射后电容击穿场强也可达到10~7v/m,5MHz下损耗因子在0.015左右,并具有在线增强的优势。 2.叉指电容和分形电容是新近出现的电容结构,本文分别从理论设计和实验制备两个方面对这两种新型共面电极结构的平面电容进行了探索性的研究。以保角变换为基础的静态电容提取解析法研究表明,影响叉指形电容静态电容值的主要因素是叉指电极长度,增大电极宽度/电极间距比(宽距比)也有助于电容密度的增大。而以叉指结构为基础的分形电容,其静态电容值的提高也需要对叉指电极长度、宽距比等因素进行协调;仿真分析和去耦测试研究表明,影响叉指电容高频特性的主要因素是电极宽距比,增大电容宽距比后,电极间距相对减小,电极间的耦合增大,相应的寄生电感也增大。分形结构可以在保证电极间距(同电极工艺精度直接关联的参数)不变的情况下,改善电容的高频性能;本文还创造性的采用激光刻蚀工艺在20mm*30mm陶瓷片上成功制备了分形结构为主的平面电容,电容值在1~7pF之间,容性阻抗维持频率在2.5GHz以上,显示了较好的可调性和高频特性,这一探索性研究为设计制备高频电容提供了一种新的途径。……   
[关键词]:高k电介质薄膜;氮氧化硅;二氧化钛;集成薄膜电容;反应溅射
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2008年