磁控濺射Ta2O5k薄膜及其C-V與I-V特性研究.pdf

1、超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,導(dǎo)致器件的特征尺寸在不斷縮短,當(dāng)其特征尺寸縮小到65nm以下或更小時,傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)厚度需要低于1.4nm,如此薄的SiO2層使器件功耗大幅增加以及致使柵極電壓控制溝道能力減小。保持等效氧化層厚度不變,利用高k材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)柵介質(zhì),可以通過增加介質(zhì)層的物理厚度大大降低直接隧穿效應(yīng),提高器件的穩(wěn)定性。因此尋找新型高k柵介質(zhì)材料已成為國際前沿性的研究課題。在目前研究的高k柵介質(zhì)材料中,Ta2O5薄膜因其介電常

2、數(shù)(K～25)較高,以及與傳統(tǒng)Si工藝相兼容等突出優(yōu)點(diǎn),被看作是新一代動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)電容元件材料中很有希望的替代品之一。因此,對Ta2O5薄膜的制備與性能進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景并已引起廣泛關(guān)注。
　　 本文采用射頻濺射方法制備Ta2O5柵介質(zhì)薄膜,深入研究了退火溫度以及氧氬流量比對柵介質(zhì)薄膜物性及電學(xué)性能的影響,并分析了其漏電流機(jī)制。
　　 本論文主要的研究內(nèi)容如下:
　　 1.研究了不同退火溫度

3、對Ta2O5柵介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,薄膜在700℃開始結(jié)晶。而400℃薄膜的介電常數(shù)最大,這是因?yàn)橥嘶饻囟葘殡姵?shù)的影響主要有兩個反面,一方面隨著退火溫度的提高,薄膜處于從非晶轉(zhuǎn)換為晶體的過程中,晶化程度在升高,介電常數(shù)增大:另外一方面隨著退火溫度的升高,SiOx界面層厚度增加而使介電常數(shù)減少,兩者作用的結(jié)果而使400℃時介電常數(shù)最大。700℃退火時薄膜的漏電流密度最小,這是由于隨著退火處理溫度的升高,氧化層中的俘獲電荷會逐漸

4、消失,各種缺陷也會減少,所以會使漏電流減小。與此同時,隨著退火溫度升高,薄膜由非晶態(tài)變成多晶態(tài),晶界會使漏電流增大。兩者作用的結(jié)果而使700℃時漏電流密度最小。
　　 2.研究了不同氧氬流量比對薄膜性能的影響。分別在濺射的時候通入氧氬比為1:4、1:2、1.6:2、1:1,觀察他們的薄膜電學(xué)性能的差別。隨著氧氬流量比的增大薄膜沉積速率在逐漸減小。當(dāng)氧氬流量比為1:4時,薄膜的漏電流密度最小,這是因?yàn)槎嘤嗟腛2流量填充了Ta2O5

5、靶材濺射時的氧空位,但是隨著活性氣體氧氣流量的繼續(xù)增大,生成的界面層SiOx厚度也會增大,而界面層的存在會使漏電流變大。
　　 3.對氧氬混合氣體比例為1:4的樣品進(jìn)行了I—V測試并進(jìn)行了漏電流機(jī)制的分析,研究發(fā)現(xiàn)不同的電壓范圍,漏電流大小和其機(jī)制不同。當(dāng)柵極上加負(fù)電壓,且-1.56