磁控溅射Ta2O5k薄膜及其C-V与I-V特性研究

摘要

超大规模集成电路的迅速发展,导致器件的特征尺寸在不断缩短,当其特征尺寸缩小到65nm以下或更小时,传统的SiO2栅介质厚度需要低于1.4nm,如此薄的SiO2层使器件功耗大幅增加以及致使栅极电压控制沟道能力减小。保持等效氧化层厚度不变,利用高k材料代替传统栅介质,可以通过增加介质层的物理厚度大大降低直接隧穿效应,提高器件的稳定性。因此寻找新型高k栅介质材料已成为国际前沿性的研究课题。在目前研究的高k栅介质材料中,Ta2O5薄膜因其介电常数(K～25)较高,以及与传统Si工艺相兼容等突出优点,被看作是新一代动态随机存储器(DRAM)电容元件材料中很有希望的替代品之一。因此,对Ta2O5薄膜的制备与性能进行研究具有很强的应用背景并已引起广泛关注。
　　 本文采用射频溅射方法制备Ta2O5栅介质薄膜,深入研究了退火温度以及氧氩流量比对栅介质薄膜物性及电学性能的影响,并分析了其漏电流机制。
　　 本论文主要的研究内容如下:
　　 1.研究了不同退火温度对Ta2O5栅介质电学性质的影响。结果表明,薄膜在700℃开始结晶。而400℃薄膜的介电常数最大,这是因为退火温度对介电常数的影响主要有两个反面,一方面随着退火温度的提高,薄膜处于从非晶转换为晶体的过程中,晶化程度在升高,介电常数增大:另外一方面随着退火温度的升高,SiOx界面层厚度增加而使介电常数减少,两者作用的结果而使400℃时介电常数最大。700℃退火时薄膜的漏电流密度最小,这是由于随着退火处理温度的升高,氧化层中的俘获电荷会逐渐消失,各种缺陷也会减少,所以会使漏电流减小。与此同时,随着退火温度升高,薄膜由非晶态变成多晶态,晶界会使漏电流增大。两者作用的结果而使700℃时漏电流密度最小。
　　 2.研究了不同氧氩流量比对薄膜性能的影响。分别在溅射的时候通入氧氩比为1:4、1:2、1.6:2、1:1,观察他们的薄膜电学性能的差别。随着氧氩流量比的增大薄膜沉积速率在逐渐减小。当氧氩流量比为1:4时,薄膜的漏电流密度最小,这是因为多余的O2流量填充了Ta2O5靶材溅射时的氧空位,但是随着活性气体氧气流量的继续增大,生成的界面层SiOx厚度也会增大,而界面层的存在会使漏电流变大。
　　 3.对氧氩混合气体比例为1:4的样品进行了I—V测试并进行了漏电流机制的分析,研究发现不同的电压范围,漏电流大小和其机制不同。当栅极上加负电压,且-1.560.81V时,漏电流主要是由Poole—Frenkel发射引起。