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氧化钽高K薄膜的制备、结构和光、电性能的研究
中文名称: 氧化钽高K薄膜的制备、结构和光、电性能的研究
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论文编号: 3730871收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Research on Preparation and Properties of Tantalum Oxide High-K Films
学位类型: 硕士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 微电子学与固体电子学
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 高K材料 氧化钽薄膜 微观结构 光学性能 电学性能 损耗角正切 介电常数
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论文简介:进入21世纪以来,全球集成电路制造技术升级换代速度有加快的趋势。按照摩尔定律,随着集成度的提高,晶体管特征尺寸按比例缩小,其结果就是晶体管沟道长度的减小和栅的减薄。SiO2作为栅介质材料,已经很接近可以保证SiO2完整带隙结构的最小厚度。为此,人们必须为二氧化硅(SiO2)找到替代品。高介电材料(又称高K材料)被认为是理想的替代品。Ta2O5由于其具有较合适的介电常数,低的漏电流密度,高的击穿电压、以及与目前的硅工艺相兼容等优点,一直被认为是SiO2很好的替代品之一。本文以高纯Ta(99.99%)为靶材,以Ar为溅射气体,以O2为反应气体,用直流磁控反应溅射法,在不同工艺条件下制备了一系列氧化钽薄膜样品。重点研究了溅射气体中Ar:O2比例对薄膜的微观结构、化学成分、光学和电学性能的影响。实验结果发现: Ar/O2比对薄膜的生长率影响较大,Ar比例大,对Ta靶的溅射率高,薄膜的生长率大。XRD结构分析表明,退火温度和Ar/O2比对薄膜结构有较大影响。未退火和400℃退火的薄膜为非晶态结构,900℃退火后薄膜中观察到明显的β-Ta2O5(001)和(200)特征峰。同时Ar/O2比例对薄膜的微观结构也有较大影响,随着Ar:O2的增加,退火后,薄膜中β-Ta2O5(001)和(200)特征峰强度增大,Ta2O5在薄膜中的质量百分含量增加。 XPS定量分析结果表明:薄膜中O/Ta原子比与工作气体中Ar/O2的流量比例密切相关,当Ar:O2=1:1,2:1,3:1和4:1时,对应的薄膜中O/Ta原子比为2.71,2.70,2.60和2.50。这个结果说明适当控制反应气体中Ar/O2比,可以利用磁控反应溅射法制备出O与Ta的原子比符合化学计量比的Ta2O5薄膜。 吸收光谱和椭偏光谱的实验结果表明:在300nm~700nm范围内样品的透射率大约为80%,具有很好的透光性,在250nm~300nm范围内有很强的吸收边,由此确定的薄膜的禁带宽度在4.44eV~4.97eV范围内,且禁带宽度随Ar/O2比中O2的增加而增大。而Ar/O2比的不同对氧化钽薄膜的折射率n和消光系数k影响较小。在500nm~1000nm波长范围折射率n约2.1,很接近块体Ta2O5的折射率2.2。在300nm~700nm波段k值接近于0。 介电谱分析结果显示,在频率低于3MHz的低频段,所有样品的介电常数和损耗角正切都随频率的增加而急剧下降,当频率大于3MHz后,介电常数和损耗角正切基本不随频率而改变。在相同的溅射时间下,不同的Ar:O2制成的薄膜对损耗角正切没有显著影响。在低频段损耗角正切随频率增加而下降反映介质的损耗很可能是由微弱的电导产生的漏电流引起的。伴随Ar/O2比从1:1增大加到4:1,介电常数也增加。制备的氧化钽薄膜介电常数最高达54.6。薄膜J-V检测结果说明Ar/O2比对制备的氧化钽薄膜的击穿场强和漏电流密度影响显著。随着Ar/O2比的增加,制备的氧化钽薄膜的击穿场强增大,薄膜漏电流密度降低。若定义当电流密度达到1×10-5A/cm2时对应的电场为击穿电场,Ar:O2=4:1的薄膜其击穿场强最大,为0.054 MV/cm。
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