氧化鉭高K薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和光、電性能的研究.pdf

1、進入21世紀以來，全球集成電路制造技術(shù)升級換代速度有加快的趨勢。按照摩爾定律，隨著集成度的提高，晶體管特征尺寸按比例縮小，其結(jié)果就是晶體管溝道長度的減小和柵的減薄。SiO2作為柵介質(zhì)材料，已經(jīng)很接近可以保證SiO2完整帶隙結(jié)構(gòu)的最小厚度。為此，人們必須為二氧化硅(SiO2)找到替代品。高介電材料(又稱高K材料)被認為是理想的替代品。Ta2O5由于其具有較合適的介電常數(shù)，低的漏電流密度，高的擊穿電壓、以及與目前的硅工藝相兼容等優(yōu)點，一直被

2、認為是SiO2很好的替代品之一。本文以高純Ta(99.99％)為靶材，以Ar為濺射氣體，以O(shè)2為反應(yīng)氣體，用直流磁控反應(yīng)濺射法，在不同工藝條件下制備了一系列氧化鉭薄膜樣品。重點研究了濺射氣體中Ar:O2比例對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、化學成分、光學和電學性能的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)： Ar/O2比對薄膜的生長率影響較大，Ar比例大，對Ta靶的濺射率高，薄膜的生長率大。XRD結(jié)構(gòu)分析表明，退火溫度和Ar/O2比對薄膜結(jié)構(gòu)有較大影響。未退火和40

3、0℃退火的薄膜為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，900℃退火后薄膜中觀察到明顯的β-Ta2O5(001)和(200)特征峰。同時Ar/O2比例對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)也有較大影響，隨著Ar:O2的增加，退火后，薄膜中β-Ta2O5(001)和(200)特征峰強度增大，Ta2O5在薄膜中的質(zhì)量百分含量增加。 XPS定量分析結(jié)果表明：薄膜中O/Ta原子比與工作氣體中Ar/O2的流量比例密切相關(guān)，當Ar:O2=1:1，2:1，3:1和4:1時，對應(yīng)的薄膜中O/T

4、a原子比為2.71，2.70，2.60和2.50。這個結(jié)果說明適當控制反應(yīng)氣體中Ar/O2比，可以利用磁控反應(yīng)濺射法制備出O與Ta的原子比符合化學計量比的Ta2O5薄膜。 吸收光譜和橢偏光譜的實驗結(jié)果表明：在300nm～700nm范圍內(nèi)樣品的透射率大約為80％，具有很好的透光性，在250nm～300nm范圍內(nèi)有很強的吸收邊，由此確定的薄膜的禁帶寬度在4.44eV～4.97eV范圍內(nèi)，且禁帶寬度隨Ar/O2比中O2的增加而增大。而

5、Ar/O2比的不同對氧化鉭薄膜的折射率n和消光系數(shù)k影響較小。在500nm～1000nm波長范圍折射率n約2.1，很接近塊體Ta2O5的折射率2.2。在300nm～700nm波段k值接近于0。 介電譜分析結(jié)果顯示，在頻率低于3MHz的低頻段，所有樣品的介電常數(shù)和損耗角正切都隨頻率的增加而急劇下降，當頻率大于3MHz后，介電常數(shù)和損耗角正切基本不隨頻率而改變。在相同的濺射時間下，不同的Ar:O2制成的薄膜對損耗角正切沒有顯著影響。

6、在低頻段損耗角正切隨頻率增加而下降反映介質(zhì)的損耗很可能是由微弱的電導產(chǎn)生的漏電流引起的。伴隨Ar/O2比從1:1增大加到4:1，介電常數(shù)也增加。制備的氧化鉭薄膜介電常數(shù)最高達54.6。薄膜J-V檢測結(jié)果說明Ar/O2比對制備的氧化鉭薄膜的擊穿場強和漏電流密度影響顯著。隨著Ar/O2比的增加，制備的氧化鉭薄膜的擊穿場強增大，薄膜漏電流密度降低。若定義當電流密度達到1×10-5A/cm2時對應(yīng)的電場為擊穿電場，Ar:O2=4:1的薄膜其擊穿