五氧化二钽MOS器件的电学特性及稳定性研究.pdf

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1、五氧化二钽MOS器件的电学特性及稳定性研究ElectricalpropertiesofTa205highdielectricfilmsandstabilityofthedevice申请学位类别和级别：理学硕士学位研究生：陆峰学科专业：凝聚态物理指导老师：蒋永进、黄仕华学位授予单位：浙江师范大学论文提交日期：2012年4月6日五氧化二钽MOS器件的电学特性及稳定性研究摘要当超大规模集成电路的特征尺寸缩小至小于65am或者更小时，传统的二氧化硅栅介质层的厚度就需要小于1．4nm，而如此薄的二氧化硅层会大幅度增加器件功耗，并且减弱栅极电压控制沟道的能力。在等效氧化层厚度保持不变的情

2、况下，使用高介电材料替换传统的栅极介质，使用加大介质层物理厚度的方法，可以明显减弱直接隧穿效应，并增加器件的可靠性。所以，找寻高介电的栅介质材料就成了当务之急。在高介电栅介质材料中，由于五氧化二钽既具有较高的介电常数(K～26)，又能够兼容与传统的硅工艺，被普遍认为是在新一代的动态随机存储器(DRAM)电容器件材料中相当有潜力的替代品。所以，制备五氧化二钽薄膜并研究其性能，有很强的实用价值，已引起人们的密切关注。本文使用射频溅射方法(RF)制备五氧化二钽栅介质薄膜，深入研究了退火温度以及工作温度对栅介质薄膜电学性能的影响，以及对器件稳定性的影响。本论文主要的研究内容如下：1．

3、研究了不同退火温度对五氧化二钽薄膜电学性质的影响。结果显示，退火温度为4000C时，薄膜的漏电流密度最大。这是由于退火温度主要在两方面对漏电流产生影响，一方面退火温度提高的过程，也是薄膜从非晶态转变成多晶态的过程，随着晶化程度的提高，漏电流密度会变大；另外一方面在退火温度提高的过程中，氧化硅界面层的厚度会增加进而减小漏电流密度，在这两方面的共同作用下，薄膜在4000C时具有最大的漏电流密度。退火温度为6000c时，薄膜的漏电流密度较小。这是因为在退火温度升高的过程中，氧化层中的俘获电荷会缓慢消失，各种体内缺陷也会减少，随之薄膜的漏电流变小。2．研究了不同的工作温度对五氧化二钽

4、薄膜电学性能的影响。随着工作温度的增加，薄膜的漏电流密度逐渐增大。但是，在较低的温度(如80-．-lOOK)时，漏电流急剧增大。这主要有两个影响因素，一是界面处生成的氧化硅层会促进漏电流的增大，另一方面是样品的缺陷也会增加漏电流。3．对器件稳定性的研究。对不同退火温度处理的样品施加恒压，测量其不同工作l摘要温度下，漏电流随时间变化的规律。结果显示，刚加上电压时(时间为O一-2s)，漏电流会急剧变大，随着时间的持续，漏电流将不再发生变化。这主要是由于刚开始时，在缺陷的影响下，电荷俘获使漏电流急剧变大；随着电压的持续施加，电荷的迁移达到动态的平衡，漏电流将不再发生明显的变化。关键

5、词：五氧化二钽：高k介质；缺陷；漏电流：退火：稳定性IlELECTRICALPROPERTIESOFTa2：05HIGHDIELECT．RICFⅡ二MSANDSTABILITYOFTH匣DEⅥCEABSTRACTInordertoadapttotherapiddevelopmentandlargescaleintegratedcircuit，wecontinuetoshrinkthesizeofthedevicecharacteristrics．Whendevicefeaturessizereducedtolessthan65nm,thetraditionalsilicadi

6、electriclayersgatethethicknessoftheneedtolessthan1．4nm,andSOthinlayerofsilicondioxidewillgreatlyincreasethepowerconsumptionofthedevice，andabate面dvoltagecontroltheabnityofthechannel．Intheequivalentoxidationlayerthicknessremainsthesame，bytheuseofhighdielectricmaterialreplacetraditionalgridofm

7、edium，mediumthicknessofthephysicallayerincreasedUSeofmetho也cansignificantlyweakeneddirecttunnelingeffect,andincreasethereliabilityofthedevice．So，lookingforhighdielectricmediummaterialofthegateb∞．ameatop埘耐锣．Inthehighdielectricgatemediummaterial，theTa205bo