必威体育betway高k电介质薄膜制

2020-01-10 作者:必威体育betway 139

隨著無線通信的飛速發展,電子器件越來越朝著微型化、薄膜化、集成化的方向發展,作為電路基本元件的電容也因此受到科技界的廣泛關注。研究工作從兩個方面展開:a.以MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)結構柵電容為應用背景的高介電常數電介質薄膜的研究;b.基于MIM(Metal-Insulator-Metal)結構和共面電極結構的集成薄膜電容研究。

必威体育betway1.研究了O_2/N_2/Ar混合氣氛中SiO_xN_y薄膜的反應濺射沉積。通過對反應濺射機理研究和建模分析,找出了反應氣體流量配比同濺射速率、薄膜成分間的關系;據此結合濺射系統的實際條件,確定了由1.0sccm氮氣和9.5sccm氬氣組成預置氣體流量,再通過微調氧氣流量對SiO_xN_y薄膜成分進行有效控制。這一混合氣體控制方案實現了低溫條件下濺射速率和成分控制之間的較好協調,在500W射頻功率下SiO_xN_y薄膜的平均濺射速率達到15nm/min,并實現了對薄膜成分(氧原子比O/(O+N約0.3~0.8)和介電常數(4.3~6.7)的有效控制。實驗結果優于現有報道的水平,相關成果已發表在SCI英文期刊上。

2.系統研究了工藝條件對TiO_2薄膜晶格結構的影響。研究表明,襯底溫度影響薄膜結構,隨著襯底溫度的提高,薄膜逐步從銳鈦礦相結構向熱穩定性更好的金紅石相為主的結構轉變;濺射功率和濺射氣壓則通過影響襯底的離子流轟擊強度作用于薄膜結構,轟擊強度的增大也有助于金紅石相比重的提高,但離子流轟擊強度對薄膜晶格結構的影響是非線性的,濺射功率和氣壓增大到一定程度后,金紅石結構的生長反而受到了抑制。文中同時研究了后續退火對TiO_2薄膜晶格結構的影響。薄膜的介電常數基本上是和金紅石相的含量成正比的,當薄膜制備工藝(包括沉積和退火)傾向于促進薄膜的金紅石結構生長時,介電常數會有相應的提高。所采取的制備條件有效地將TiO_2薄膜介電常數控制在30~80以內。

3.根據上述研究,以MOS電容柵介質為應用背景,系統研究了TiO_2、TiO_2/SiO_2、TiO_2/SiO_xN_y等不同結構電介質的電學性能。TiO_2/SiO_2、TiO_2/SiO_xN_y結構柵介質的漏電流分別比單純TiO_2作柵介質時降低了50%和70%,同柵介質電荷相關的柵壓偏移量也減少了1V以上,說明了層疊結構中SiO_2、SiO_xN_y等人工界面層在改善電學質量方面的作用。而同SiO_2相比,SiO_xN_y作界面層時柵介質電荷密度更低(柵壓漂移量減小了0.2V左右),積累態電容值也高出了17%,但界面電學質量卻是前者更具優勢,我們認為這主要源于不同界面層作用下TiO_2層的不同擴散程度。SiO_xN_y中的N成分在抑制TiO_2層擴散方面的作用更顯著,柵介質電荷密度因而更低,但N成分導致的界面化學鍵過約束狀態則使得界面質量略顯不足。這一區別也反映在漏電機制上,TiO_2/SiO_2的漏電機制傾向于體缺陷主導的Poole-Frankel機制,而TiO_2/SiO_xN_y的漏電機制傾向于界面缺陷主導的SchottkeyEmission機制。總體而言,TiO_2/SiO_xN_y結構柵介質的綜合性能更佳,有較好的發展前景。這一系統性研究工作對TiO_2等高k電介質薄膜的應用有重要意義。

1.在陶瓷基片上制備了MIM結構集成薄膜電容,并研究了后續退火和偏壓濺射對電容性能的影響。沉積后退火處理可以減少由粗糙襯底和沉積工藝造成的孔洞、缺陷及不連續狀態,從而增大絕緣強度,減小電導損耗機制作用下的損耗因子。退火后電容最高擊穿場強在10~7v/m以上,5MHz下損耗因子在0.01以下,但過度的熱處理卻破壞了原有的連續膜層,導致電容電學性能的惡化。偏壓濺射通過高能離子轟擊促進介質膜致密度的提高,改善電容性能。但離子轟擊也導致了薄膜缺陷密度的增大,出現了電導損耗和弛豫損耗共同作用的損耗機制。強度過大的偏壓濺射還可能造成破壞型離子轟擊和襯底反濺,加劇電容性能的惡化。偏壓濺射后電容擊穿場強也可達到10~7v/m,5MHz下損耗因子在0.015左右,并具有在線增強的優勢。

2.叉指電容和分形電容是新近出現的電容結構,本文分別從理論設計和實驗制備兩個方面對這兩種新型共面電極結構的平面電容進行了探索性的研究。以保角變換為基礎的靜態電容提取解析法研究表明,影響叉指形電容靜態電容值的主要因素是叉指電極長度,增大電極寬度/電極間距比(寬距比)也有助于電容密度的增大。而以叉指結構為基礎的分形電容,其靜態電容值的提高也需要對叉指電極長度、寬距比等因素進行協調;仿真分析和去耦測試研究表明,影響叉指電容高頻特性的主要因素是電極寬距比,增大電容寬距比后,電極間距相對減小,電極間的耦合增大,相應的寄生電感也增大。分形結構可以在保證電極間距(同電極工藝精度直接關聯的參數)不變的情況下,改善電容的高頻性能;本文還創造性的采用激光刻蝕工藝在20mm*30mm陶瓷片上成功制備了分形結構為主的平面電容,電容值在1~7pF之間,容性阻抗維持頻率在2.5GHz以上,顯示了較好的可調性和高頻特性,這一探索性研究為設計制備高頻電容提供了一種新的途徑。