vlsi用栅介质ta,2o,5薄膜制备与特性研究

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1、摘要随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，晶体管尺寸越来越小，传统的栅介质Si02不能满足下一代器件栅介质的需求，研发高k介质代替Si02栅介质受到了极大的关注。Ta205薄膜具有较高的介电常数，低的漏电流密度，高的击穿强度，和传统工艺兼容性好等优良特性。本文利用直流磁控反应溅射制备了Ta205薄膜，优化了工艺条件，并进行了快速热退火实验。利用原子力显微镜、X射线衍射仪、紫外．可见光光度计、耐压测试仪等仪器分析了Ta205薄膜表面形貌、晶体结构、折射率、消光系数、光学带隙、击穿强度和介电常数等物理电子学特性，系统地研究了制备参数和退火温度对Ta20，薄膜性能的影响。研究发现直流

2、磁控反应溅射起辉电压和溅射气压的关系符合帕邢定律，薄膜的沉积速率随着氧流量比的升高呈指数递减，随着溅射气压的增长先增大后减小，在0．3Pa时达到最大。直流磁控反应溅射得到的Ta205薄膜表面致密平整，无明显缺陷。沉积态薄膜粗糙度均方根在0．488---,3．350nln之间，表面粗糙度与沉积速率密切相关。在退火温度低于结晶温度时，退火能改善薄膜表面形貌，减小表面粗糙度。沉积态Ta205薄膜均为非晶态，Ta205薄膜的结晶温度在700"--"8000C。经过8000C退火，Ta205薄膜变成六角相结构(6．Ta205)晶体，在退火温度为900---"10000C时，薄膜由{i-Ta

3、205结构开始转化为低温正交相结构(L．Ta205)。Ta205薄膜在可见光范围内透射率高(78％～80％)，折射率在2．01～2．20之间，消光系数数量级为104，光学带隙在3．6～4．3eV之间，击穿强度范围为2～4．5MV／cm。沉积态Ta205薄膜的介电常数为24．3，在退火温度为8000C时，介电常数达到最大26．5。随着退火温度再升高，介电常数反而降低。关键词：高k介质，Ta205薄膜，直流反应溅射，快速热退火，电子学特性ABSTRACTWiththefastdevelopmentofVLSI(VeryLargeScaleIntegration)，highdielec

4、tricconstant(high—k)materialshavebeendrawingmuchattentionforreplacingconventionalgatedielectricmaterial—Si02，whichisreachingitsphysicallimit．Tantalumpentoxide(Ta20s)isapossiblecandidatebecauseofitsrelativelyhi曲dielectricconstant，lowleakagecurrent，highbreakdownstrengthandprocesscompatible．Inth

5、isdissertation，Ta205thinfilmWasdepositedbyDCreactivemagnetsputteringandannexedbyRTA(RapidThermalAnnealing)．AFM(AtomicForceMicroscope)，XRD(X-rayDiffractometer)，UVS(UltravioletandVisibleSpectrophotometer)，DST(DielectricStrengthTester)wereperformedtoinvestigatethephasecomposition，surfaceproperty

6、,electricalandopticalpropertiesofTa205thinfilm．ResearchshowedthattherelationshipbetweenignitionvoltageandsputteringpressurewasaccordingPaschen’SLow．DepositionrateWasdecreasedexponentiallyasincreasingofoxygenflowratio，andfirstincreasedthendecreasedasincreasingofsputteringpressure，reachedmaxat0

7、．3Pa．SurfaceoftheTa205thinfilmswasflat，compactandwithoutanyvisibledefect．Rq(Root-Mean-Sq)ofas—deposiedTa205miIlfilmrangedfrom0．488-2．579nm，whichwasrelatedwithdepositionrate．Surfaceoffilmwasimprovedwhentheannealingtemperaturebelowcrystallinete