退火对Y2O3薄膜结构和电学性能的影响

采用射频磁控反应溅射法,成功地在n-Si衬底上制备了高k栅介质Y2O2薄膜。对薄膜在不同温度退火后的结构、成分和电学性能进行了分析研究。结果表明,沉积态薄膜为非晶态,退火后薄膜开始晶化;沉积态薄膜中Y和O元素的原子浓度比基本符合化学计量比;薄膜具有较低的漏电流,退火后薄膜的漏电流降低。高频C-V曲线表明,退火后由于界面层的生长导致积聚电容减小。

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退火对 Y O。。薄膜结构和电学性能的影响/霍会宾等

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退火对 Y o薄膜结构和电学性能的影响 23霍会宾，刘正堂， 锋阎(西北工业大学材料学院，西安 70 7 ) 1 0 2

摘要

采用射频磁控反应溅射法，成功地在 nS衬底上制备了高 l介质 Y 0。 -i c栅 2薄膜。对薄膜在不同温度退

火后的结构、分和电学性能进行了分析研究。结果表明，成沉积态薄膜为非晶态，火后薄膜开始晶化；退沉积态薄膜

中 Y和 0元素的原子浓度比基本符合化学计量比；薄膜具有较低的漏电流，火后薄膜的漏电流降低。高频 CV曲退 -线表明，火后由于界面层的生长导致积聚电容减小。退关键词 Y 0薄膜 2。退火漏电流界面层

中图分类号： 8 04 4

文献标识码： A

Efe to ne ln n S r c u ea d Elcr c lPr pe te fY2 l s f c fAn a i g o t u t r n e ti a o r iso Fim 03H U o u b n H i i,LI h n t n U Z e g a g,YAN n Fe g( c o lo a eil ce c n gn eig, rh se nPoye h ia iest,’ n7 0 7 ) S h o fM tr in ea d En ie rn No twe tr ltc nc l a S Unv riy Xia 1 0 2Ab t a t sr c Y2 i h e t i i s a e p e a e u c s f l y RF ma n to e c i e s u t r g o - is b h g - h n f m r r p r d s c e s u l b - g e r n r a t p te i n n S u— 03 l y v n

sr ts Th tu t r,c mp n n sa d ee tia h rce itc fY2 i n e ld a ifrn e ea u e r tae. esr cu e o o e t n lcrclc aa trsiso fl a n ae tdf e ttmp r tr sae Oa ms esu id Th e t e u t dc t h t h sd p std fm sa ea r h u,n h n e ldfm sa ep l r tl e. t de . ets s lsi iaeta ea— e o i i r mo p o

s a d tea n ae i r oycysal r n t e l l n Th tmi o c nr t nr t ewe nO n ac r swi h t iho ti r p rinb sc l . o g h sd— eao cc n e tai a i b t e a dY co d t tesoc imercp o o t a ial Th u h t ea—e o o h o y p s e i h w o la a e c re t t e a n ae i r c o r Ac o dn o t e hg r q e c _ o i dfl s o lw e k g u rn, h n e ld f ms ae mu h lwe. t ms l c r ig t h ih fe u n y Cc r e,t e a c mu a in c p c t n e d c e s s a t ra n ai g d e t h r wt fi t ra illy r u v s h c u l t a a ia c e r a e fe n e l u o t e g o h o n e r ca a e . o n Ke r s y wo d Y2 i 03fl, n e l g,e k g u r n,n e r ca a e ms a n ai n la a e c r e t i tr a illy r

0引言 自2世纪 6 o o年代中期提出著名的 Mor定律以来_, oe 1晶体]

要有化学气相沉积法 ( V、 C D)电子束蒸发法 ( B )磁控溅射 E E、法、子束沉积 (C )。使用不同方法得到的 Y2薄膜其性离 IB等 03能会有所不同。

管小型化的趋势一直沿着 Mo r定律的预测快速发展。在晶体 oe管进入纳米领域之后，由于量子隧穿效应l] _引起的漏电流增加 2 和多晶硅耗尽[效应引起的结电容减低将变得不可接受， 4]甚至有人计算出 S0 i2作为栅电介质的最小厚度为 1 2 m 5或者 . nc]

由于射频磁控溅射法制备的膜具有与基体的结合力强、均匀性好、溅射速率较高、膜层致密等优点。本文采用射频磁控溅射法制备 Y2薄膜， 0。重点讨论了退火对 Y。 2薄膜结构和性能 0的影响。

0 8n。虽然在这方面尚无定论， . ni但是依据 19年美国半导体 97工业协会 (I制定的国家半导体技术发展路程表口，测到 SA)]预 20年等效氧化层厚度将小于 1 5m,2 1 09 .n 0 2年将小于

1 0m。 .n 在这种情况下，寻找合适的高材料以替代 s十分必要。 目前，在诸多可供选择的高材料中， 是一种比较有 Y2 03前途的材料。它在一定的栅电压下具有较低的泄漏电流；较小的固定、捕获和移动电荷密度 _; S之间良好的晶格匹配性 8与 i( ( 2 ) . 8 n a S)—1 0 4 m)比较宽的能带间 a Y 03=1 0 6 m, ( i×2 . 6 n;

1实验 本实验所用靶材为￣ 0 6 mm×5 m、9 9的 Y 0 m 9. 9 2。热压

陶瓷靶，反应气体为 9 . 9的高纯氧气。在 B 40型镀膜 999 MS 5机上采用射频磁控溅射方法制备 Y2薄膜。衬底材料为单面 0。抛光 n型单晶 S片， i电阻率范围为 1 O m。使用前将 S~1 Q c i

片首先用 HF溶液(浓度 ) 5浸泡 1mi 0 n以去除其表面氧化层， 然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗，最后用吹风机吹干。镀膜前，先用纯 Ar气对 Y 3靶预溅射 1 mi,除 2 0 5 n以去靶面的污染物。溅射室的本底真空度为 4 0 0 a .×1~P。薄膜制备过程中具体的工艺参数为：频功率 10,气流量射 8W Ar 1mL mi,气流量为 3/ n溅射气压 0 2 a靶基距为 5/ n 02 mL mi, .P 6 O m。制作 MOs电容器时， Y2 .c在 0。薄膜上溅射 Au作为电极，成 Au Y 0/ i构，外真空蒸镀 Al形/ 2 3S结另作为背电极。之

隙；其热力学稳定性可以达到 2 2℃_,的热力学兼容性， 35 g高 J以及相对高的导带偏移量( . e _~2 3 V)1。这些性质为 Y2 3为 作 0高电介质材料奠定了基础。

然而用 Y 0代替已被广泛使用的 s )面临因其晶体性 2。 i2 (质 _氧空位缺陷[,]界面粗糙度_] 1、 11、 23 1以及极薄 s(2层的形 i )成L] 1带来的一系列难题。为了克服这些问题，多学者采用了 5许

不同的制备方法和后继处理制备 Y2 0。薄膜的方法很多，主*航空科学基金资助项目(4 5 0 3 0 G 34 )

后试样在 3 0 0￣ 40C氧气气氛中退火 4 ri。 C和 5￣ 0 n a

霍会宾：,9 1生，男 18年硕士生，从事光电信息功能材料方面的研究 Emal h i

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