高K介质材料氧化镁的制备及其性质研究

　　河北镁熙生物有限公司表示，氧化镁因为有着许多优异的性质,例如电绝缘性、化学惰性、机械稳定性、高温稳定性、热传导性和高效二次电子发射等,而广泛应用在如光学薄膜、以及高临界温度的超导缓冲层、大面积平板、等离子显示器件、高K绝缘层介质材料等诸多领域。氧化镁因化学惰性,禁带宽度为7.8eV,本征材料介电常数为9.8,被选作高K介质材料,可以用在MOSFET中取代SiO2作为新的绝缘层介质。氧化镁薄膜光学和电学性质以及膜厚等对制造和表征这些光电器件显得极为重要。

　　分别用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)和射频磁控溅射法(R.FMagnetronSputtering)在硅和蓝宝石上生长了较薄(10nm左右)的氧化镁薄膜,通过对薄膜的X电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测量研究了不同衬底温度、退火处理等条件下薄膜成分结构和表面形貌等性质,并用椭圆偏振光谱仪(SE)和原子力显微镜(AFM)确定了薄膜厚度和折射率n。

　　首先采用MOCVD方法,以高纯(C5H5)2Mg作为镁源,高纯O2作为氧源,高纯N2作为载气,在衬底温度350-700℃下成功地在p-Si(100)和蓝宝石(0001)衬底上制备出了氧化镁薄膜。通过XPS表征了不同温度下生长的氧化镁薄膜表面的组分,确定了Mg-O键以及氧化镁薄膜暴露在空气中由于吸附二氧化碳和水可能形成的的氢氧化镁和碳酸镁。样品透过谱测量结果表明,氧化镁薄膜样品在可见光区的平均透过率达到了85%。通过SEM研究了450℃下生长的氧化镁薄膜的表面形貌,研究发现薄膜表面平整,均匀性很好。用Cauchy模型拟合SE数据,得到了薄膜的折射率和厚度。对600℃和700℃样品也用AFM测量了膜厚,结果与SE测量值相近。

　　其次采用射频磁控溅射法作为与MOCVD对照,在p-Si(100)衬底上制备了氧化镁薄膜,XPS数据显示,得到了几乎与MOCVD制备样品相同的结果。80℃下溅射120min生长的氧化镁薄膜样品在650℃纯氧中退火20min前后的XRD图谱显示,该样品为非晶向薄膜。同样我们通过SE测量了薄膜厚度和折射率,并用AFM加以确定薄膜厚度。

　　为了研究氧化镁薄膜的电学性质,我们制备了Au-氧化镁-Si(MOS)结构的电容器,用电容-电压(C-V,capacitance-voltage)法和电导-电压[G(ω)-V,conductance-voltage]法测量了的氧化镁薄膜的介电常数K、电容Cc、等效氧化层厚度LEOT和Si-氧化镁中心带隙的界面陷阱电荷密度(Dit),用漏电流密度(J)随电场强度(E)变化曲线测量了样品的漏电流密度,并研究了高温O2退火和低温(150℃)超临界二氧化碳(scCO2)处理对他们的影响。

　　由于scCO2表面张力极低,可以轻易携带H2O进入氧化镁薄膜和Si-氧化镁界面,H2O作为氧化剂与Mg悬挂键反应,消除陷阱。高频C-V测量显示积累区的电容随着测量频率的增加而减小,可能是由于漏电流和串联电阻的影响。这种变化可以用考虑了两者的影响而修正的三单元电路模型来消除。通过测量两组不同的频率可以计算得到的修正电容Cc就不再随测量频率而变化。通过修正电容Cc可以计算修正的介电常数Kc和等效氧化层厚度(LEOT)。

　　通过计算得到的Kc,我们发现在Si衬底上MOCVD沉积的氧化镁薄膜,350℃(Kc-7.3)和450℃(Kc～7.6)样品的Kc值要低于600℃(Kc-7.8)和700℃(Kc～8.2)样品。这可能是由于低温时金属有机镁源中有机簇氧化不充分产生的碳污染残留引起的。LEOT经计算约为氧化镁薄膜厚度的一半。大多数未经任何处理的样品的C-V曲线存在负偏压偏移和滞后,表明在氧化镁薄膜和氧化镁-Si界面处有一定量正电荷存在,这些正电荷的引入可能是样品制备环境不够洁净导致。然而,通过650℃下O2退火和150℃下scCO2处理,样品C-V曲线中的负偏压偏移和滞后现象,都有明显地改善。Dit可通过G-V测量按照电导法加以测量,也可通过三单元电路模型加以修正。scCO2处理可以使10kHz下按照修正(Gp/ω)max计算得到的Si-氧化镁中心带隙的Dit从1011cm-2eV-1减小到1010cm-2eV-1量级,这可与氢退火后的Si-SiO2中心带隙的Dit相比拟。

　　漏电流密度随电场强度变化(J-E)测量表明,350℃和450℃下生长的样品的漏电流密度约为10-8A/cm2,比600℃和700℃下生长的样品要高一个数量级。这也预示着较低衬底温度下生长的薄膜样品中存在更多的缺陷。600℃和700℃下生长的样品的Dit值经高温O2退火和scCO2处理后分别达到了10-9A/cm2量级和10-10A/cm2量级。scCO2处理可以实现对界面处Mg悬挂键的进一步氧化反应来消除界面陷阱。在Si衬底上射频磁控溅射沉积的样品与MOCVD制备的样品相比,无论在C-V特性,Dit值和J-E测量中都表现的差些。