Ta-,2-O-,5-薄膜的制備及其電學(xué)性能的研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，器件的特征尺寸在不斷縮短，當(dāng)特征尺寸縮小到70nm以下時(shí)，傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)厚度需要在1.5nm以下，如此薄的SiO2層將會(huì)導(dǎo)致柵壓對(duì)溝道控制能力減弱和使器件功耗急劇增加。而利用高介電材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)柵介質(zhì)，可以在保持等氧化層厚度(EOT)不變的條件下，增加介質(zhì)層的物理厚度，從而大大降低直接隧穿效應(yīng)，提高器件的穩(wěn)定性。于是尋找新型高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，Ta2

2、O5薄膜因其具有較高的介電常數(shù)(K～25)，以及與傳統(tǒng)Si工藝相兼容等突出優(yōu)點(diǎn)，已被看作是新一代動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)電容元件材料中最有希望的替代品之一。因此Ta2O5薄膜的制備與性能研究具有很強(qiáng)烈的應(yīng)用背景并已引起廣泛關(guān)注。本文采用反應(yīng)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(duì)柵介質(zhì)薄膜電學(xué)性能的影響，并分析了其漏電流機(jī)制。在沉積Ta2O5薄膜之前，先利用磁控濺射的方法生成一層緩沖層SixNy層，研究不同

3、厚度的SixNy層對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 ⑴研究了不同退火溫度對(duì)Ta2O5柵介質(zhì)性能的影響。結(jié)果表明，薄膜在700℃開始結(jié)晶，且是四方結(jié)構(gòu)的B-Ta2O5。700℃薄膜的介電常數(shù)最大，這是因?yàn)橥嘶饻囟葘?duì)介電常數(shù)的影響主要有兩個(gè)反面，一方面隨著退火溫度的升高，薄膜晶化程度在提高，存儲(chǔ)電荷的能力增加，介電常數(shù)增大；另外一方面隨著退火溫度的升高，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700℃

4、時(shí)介電常數(shù)最大。700℃退火時(shí)薄膜的漏電流密度最小，這是因?yàn)殡S著退火溫度的升高，氧化層中的陷阱電荷會(huì)逐漸消失，各種缺陷也會(huì)減少，所以會(huì)使漏電流減小。另外，隨著退火溫度升高，薄膜會(huì)由非晶態(tài)變成多晶態(tài)，而晶界之間的縫隙會(huì)使漏電流增大。兩者作用的結(jié)果而使700℃時(shí)漏電流密度最小。
　　 ⑵研究了氧氬流量比對(duì)薄膜性能的影響。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6:5時(shí)，介電常數(shù)K值最大，這是由于氧分壓的增大，使濺射

5、出來的金屬Ta離子更充分的氧化，而表現(xiàn)出更好的絕緣性，介電性能更好。當(dāng)氧氬流量比為2:5時(shí)，薄膜的漏電流密度最小，這是因?yàn)殡S著活性氣體氧氣流量的增大，生成的界面層厚度也會(huì)增大，而界面層的存在會(huì)增大漏電流。
　　 ⑶研究了不同厚度的緩沖層SixNy對(duì)Ta2O5薄膜電學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，緩沖層SixNy的加入可以降低Ta2O5薄膜的結(jié)晶度，而非晶的Ta2O5薄膜是我們所需要的。當(dāng)緩沖層厚度為3nm時(shí)，薄膜的介電常數(shù)最高，漏電密度

6、最低。這是因?yàn)镾ixNy是一種致密的薄膜，它能阻止界面層的形成，從而提高薄膜的電學(xué)性能。
　　 ⑷對(duì)氧氬流量比為2:5的樣品進(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，漏電流機(jī)制不同。當(dāng)柵極上加負(fù)電壓，且-3.98V>Vg>-5V時(shí)，漏電流主要是由Schottky發(fā)射引起。當(dāng)柵極上加負(fù)電壓，且電壓值在0到-3.88之間時(shí)，占主導(dǎo)的漏電流機(jī)制是空間電荷限制電流。當(dāng)柵極上加正電壓，且1.84V>Vg>0V時(shí)，漏電流主要是由Sch