1、退火溫度對高介電2薄膜的微構造和形貌的影響摘要：采用等離子氧化金屬薄膜法制備了hf2柵介質薄膜,并研究了hf2柵介質薄膜的微構造和外表形態隨退火溫度的變化而發生的變化規律。研究說明:隨著退火溫度的升高，hf2薄膜的晶體構造發生了變化，從沉積時的非晶態過渡到晶態，從四方轉變到四方和單斜相共存，最后又過渡到單斜相。掃描電鏡分析說明隨著退火溫度的升高，hf2薄膜的內部構造趨向致密與平整。關鍵詞：hf2薄膜;等離子氧化;微構造;形貌1引言隨著微電子技術的飛速開展，sfet特征尺寸按摩爾定律不斷縮小，作為柵介質層si2的厚度迅速接近它的物理極限，以此為背景應用于下一代sfet的高介電柵介質材料成為當今微

2、電子材料的研究熱點。hf2是目前最有希望在下一代s工藝中代替si2的柵材料。hf2不僅具有適中的介電常數值(25)，可以在不過度進步柵氧化物堆棧高度的情況下獲得所需的等效si02厚度(et)；而且具有相當高的禁帶寬度，對si的導帶偏移e大于1ev，在與柵電極和si襯底接觸時能保持較大的接觸勢壘,該特性是大局部高k材料不具備的。高的勢壘可有效地阻止電子(或空穴)的shttky穿過，即降低了超薄膜的隧穿電流。hf2在能帶構造上很好地滿足了高k材料的選擇標準。2實驗實驗所用的襯底為單面拋光的p型單晶si(100),阻值412,在硅襯底上沉積hf2之前，我們對襯底進展了標準的清洗和高壓電離清洗。磁控濺

3、射系統的本底真空小于210-4pa,濺射的鉿靶純度為99.99%,濺射的氣體為高純度的ar(99.999%),直流濺射的功率為40，濺射氣壓達3.5pa,濺射時間5in,所獲取的金屬鉿膜轉移到等離子體增強化學氣相沉積腔室中，經換位等離子體氧化直接得到hf2薄膜；等離子體氧化時所設實驗參數為，通入的ar:2=6:1,工作氣壓19pa,工作功率200，襯底盤溫度設置為400,氧化時間30in。沉積態的hf2薄膜經500-900的2或n2的快速熱退火，時間為5in,獲得所需樣品。利用x射線衍射儀對樣品的構造進展分析，掃描電子顯微鏡對樣品的形貌進展觀察。3結果與討論3.1hf2薄膜的構造分析沉積態的薄

4、膜沒有衍射峰，呈明顯的非晶態，說明等離子氧化未導致薄膜的晶化。氧氣氛500退火明顯看到了hf2薄膜呈現晶化的趨勢。2=30.3弱的衍射峰出現了，對應為四方構造的hf2，這一結果和d.a.neuayer報道的hf2的晶化溫度非常接近。繼續進步退火溫度，發現hf2的物相構造發生變化。對應單斜相構造的hf2的(-111)晶面的衍射峰開場出如今600的退火樣品中,薄膜開場由單一的四方相向四方和單斜共存的多晶轉變。隨著退火溫度的進一步升高，四方相的hf2消失，取而代之的是全部的單斜相。一般來說，hf2在常壓下呈單斜相，諸如四方、立方、正交等晶相只有在高壓或高溫情況下才能穩定存在。然而很多文獻觀察到在一定

5、生長條件下，這些亞穩相被“凍結而出如今薄膜中，500氧化的樣品中出現的這種現象與之類似。hf2的物相構造隨著退火溫度的變化說明了:四方相的hf2是低溫退火時的一個亞穩相，具有較大的不穩定性。單斜相的hf2是高溫態的穩定相。由此可見退火溫度是決定hf2薄膜構造的重要參數。3.2hf2薄膜的形貌分析我們利用(fe-se)(jeljs-6700f)掃描電鏡觀察了不同熱處理溫度下的hf2/si柵介質薄膜的外表形貌特征。沉積態的hf2薄膜是有許多顆粒組成的，且薄膜外表還有許多空洞，且明顯的看到垂直于外表方向的粗糙很大。如此粗糙的外表形貌和小空洞的存在說明hf2薄膜很可能是島狀成核生長的。隨著退火溫度升高

6、，hf2薄膜外表趨向于平整，且小空洞隨之消失，伴隨著小顆粒的長大。這是因為外界的熱處理過程中，外表原子徒動能增加，促進了原子在hf2薄膜外表的挪動，當原子挪動到外表臺階缺陷位置時，(如沉積態下的空洞)，便容易停留在那里。大量的原子的徒動最終倒置了粗糙的薄膜外表趨于平整。以上也可以根據hen和akenize的形核理論進展解釋。形核過程包括晶核的形成和長大。形核率表示為：dn/dt=nexp(-gn/rt)(1)這里n是常數，n是晶核形成數量，gn是吉布斯自由能的改變。晶核的生長速率表示為：u=uexp(-eu/rt)(2)u是常數，eu代表晶核生長的激活能。對于沉積態的樣品，400低溫等離子氧化，外界提供的熱能不能滿足吉布斯自由能的改變量，因此，低溫等離子氧化，基底溫度低，吸附原子在外表擴散速率缺乏，不能導致薄膜內的晶核生長與形成。當600退火時，形核條件已經滿足，晶核開場產生。薄膜襯底間界面上以及許多種類的缺陷(氣孔和氧空位)都可成為薄膜內部hf2結晶的形核地址。假如這些缺陷集中在某些區域，那么，這些區域就成為晶核析出的優先區。隨著退火溫度的進一步升高，形核率按(3-1)式呈非線性上升，同時晶核生長速率也增加。大量的