（大连东软信息学院）
摘要：二氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。为射频磁控溅射制备HfO2工艺条件的研究提供了借鉴。
关键词：二氧化铪；工作气压；射频磁控溅射；退火
1 引言
在集成电路的飞速发展中，产业存着一则由Gordon Moore先生提出的摩尔定律，提出内容为每隔 的摩尔定律，提出内容为每隔18至24个月集成电路芯片上所有的数目翻一番。在摩尔定律下，集成电路的度随着时间不断上升特征尺寸减小。在人们持续不断的研究中，发现一系列可以作为氧化硅替代者的高介电常数材料，其中氧化铪材料备受关注，基于热力学研究和带隙测量，氧化铪被认为是高K电介质中替代二氧化硅材料的最佳候选。氧化铪薄膜具有较高的硬度、高的化学稳定性和优良的介电性能。氧化铪具有合适的介电常数、禁带宽度较大、与硅基CMOS集成电路有着优异的兼容性，因此，氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。
本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。
2 实验
实验应用射频磁控溅射法制备HfO2薄膜，通过确定基本工艺参数，控制变量参数，对制备完成的HfO2薄膜进行表征分析，分析其晶体结构、表面形貌。
实验镀膜设备是中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司所生产的TRP-450高真空三靶磁控溅射镀膜系统和北京世纪久泰真空技术有限公司生产的高真空热蒸发薄膜沉积系统。其主要由真空溅射室、电气控制柜、循环水冷系统组成；真空溅射室采用卧式圆筒型结构，尺寸为450×400mm，前开门结构，选用不锈钢材料制造，氩弧焊接，表面进行化学抛光处理，接口采用金属垫圈密封或氟橡胶圈密封。实验制备应用的靶材为纯金属Hf（99.99%）靶材，石英玻璃作为衬底片。溅射功率400W，氩氧比列2/9，本地真空度为3×10-4Pa，工作气压分别为0.2Pa，0.25Pa，0.3Pa，0.35Pa，0.4Pa，0.45Pa和0.5Pa。
3.结果与讨论
图1 工作气压与薄膜溅射速率之间的关系
由图1中可以明显看出,在实验中选取的工作气压范围内,工作气压对沉积速率的影响趋势是明显的。随工作气压升高,沉积速度呈上升趋势,而当工作气压达到0.3Pa以后沉积速度基本上维持不变。之所以出现这样的现象是由于随着工作气压的增高,带来两方面的作用效果。一方面工作气压的升高使得真空室内粒子数量的增加,对靶材的轰击溅射作用增强,其溅射产额增加,为薄膜合成所提供的金属源产量增加,必然提高薄膜的合成速度;另一方面工作气压的升高增加了各种粒子在向基片运动过程中碰撞几率,能够减少到达基片合成薄膜的粒子数量。两方面因素的综合作用,使得在一定的工作气压范围内表现出沉积速度的增加趋势。而当工作气压升高到一定程度后,沉积速度会显示降低的趋势。在本实验中,气压在0.3～0.4Pa之间是沉积速度达到最大,在0.5Pa附近已经有下降趋势。
图2为HfO2薄膜在制备得到薄膜退火后的SEM图。从图中可以得到，退火可以使薄膜表面的增强迁移能力，容易获得致密程度高的薄膜。
图2 HfO2薄膜在制备得到薄膜退火后的SEM图
4.结语
本次毕设课题在查阅相关文献获取已有成熟工艺参数的基础上，使用控制变量法，探究了射频溅射法制备HfO2薄膜的工艺参数影响及其介电性能的研究，并且总结出相应的基本工艺参数：本底真空度为3×10-4Pa，工作气压为0.3Pa，氩气与氧气流量比为2/9，保持靶基距为160mm，溅射时间为60min。在使用上述工艺参数的前提下，成功制备良好介电性能的HfO2薄膜。退火后，薄膜的晶粒尺寸也会随着增大，有利于薄膜表面的致密，同时也有利于薄膜形貌的形成。
参考文献
[1]杨宇桐．HfO2薄膜微结构及电学性能研究[D]，电子科技大学，2014
[2]刘芳．基于二氧化铪的高介电常数薄膜的制备与研究[D]，杭州电子科技大学，2010
论文作者:刘汉伟
论文发表刊物:《知识-力量》2019年6月中
论文发表时间:2019/3/14
标签：薄膜论文; 气压论文; 磁控溅射论文; 工作论文; 常数论文; 形貌论文; 射频论文; 《知识-力量》2019年6月中论文;