反應濺射沉積高介電Ta-,2-O-,5-薄膜研究.pdf

1、該文采用反應-磁控濺射法,通過改進工藝方法,優(yōu)化工藝條件,在較低的襯底溫度下,獲得了晶態(tài)甚至取向的Ta<,2>O<,5>/Si介電薄膜,系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)對Ta<,2>O<,5>介電薄膜結(jié)構(gòu)、性能及界面層的影響.該論文主要的研究工作進展如下:1.通過提高工作氣體的相對濕度,降低了Ta<,2>O<,5>薄膜的晶化溫度.通常,Ta<,2>O<,5>薄膜的晶化溫度在800℃以上.嘗試通過工作氣體中引入適量的水,來改變其相對濕度的方法,在50

2、0℃的低襯底溫度下,獲得了晶態(tài)Ta2O5薄膜.目前尚未見相關(guān)報道.2.引入襯底負偏壓,也有利于提高Ta2O5薄膜的結(jié)晶性,降低晶化溫度.當襯底溫度為620℃時,發(fā)現(xiàn)在沒有偏壓輔助的情況下,沉積的Ta<,2>O<,5>薄膜為非晶或無定形相;當襯底負偏壓增加到-100V時,可以獲得晶化的Ta<,2>O<,5>薄膜;隨著襯底負偏壓的增加,薄膜的結(jié)晶性提高;但是當襯底負偏壓過高時,薄膜的生長速率下降.此外,當襯底負偏壓為-200 V時,甚至在4

3、00℃的低襯底溫度下,也能夠獲得部分晶化的Ta<,2>O<,5>薄膜,這是目前報道的晶態(tài)Ta<,2>O<,5>薄膜最低沉積溫度.3.在優(yōu)化工藝參數(shù)的條件下,在單晶Si襯底上直接沉積得到具有很好〈001〉取向特性的Ta<,2>O<,5>介電薄膜.通常,取向Ta2O5介電薄膜都是在金屬Ru等襯底上,通過高溫沉積或后續(xù)高溫退火來獲得.在單晶Si襯底上,較低的溫度下,通過襯底負偏壓的輔助,沉積的Ta<,2>O<,5>薄膜具有較好的取向特性,薄膜

4、的取向性隨襯底負偏壓的增加而增強,并提出了薄膜取向生長的物理模型.4.通過RBS圖譜,研究了工藝條件對Ta<,2>O<,5>薄膜/Si襯底間界面層的影響.發(fā)現(xiàn)隨襯底溫度的升高,Ta<,2>O<,5>薄膜/Si之間界面層厚度增加;而襯底負偏壓對界面層厚度的影響不明顯,它主要影響的是界面層中元素的分布,隨襯底負偏壓的增大,界面層中Ta/O成分比值顯著增加.這可能是由于在襯底負偏壓的作用下,帶正電的Ta+離子的擴散加劇,而O-離子的擴散受到一

5、定程度的抑制,并對界面層的形成進行了動態(tài)分析,認為沉積的Ta<,2>O<,5>薄膜/Si界面存在的元素擴散反應可能是界面層形成的主要原因.5.通過對A1/Ta<,2>O<,5>薄膜/Si襯底MOS電容器的Ⅰ-Ⅴ及C-V等測試分析發(fā)現(xiàn),隨薄膜結(jié)晶性的改善,MOS電容器的存儲電荷能力增強,Ta<,2>O<,5>薄膜的相對介電常數(shù)增加,尤其在取向薄膜的情況下,獲得了相對介電常數(shù)為34的Ta<,2>O<,5>薄膜,在電場強度為800kV/cm時