工程科技應用研討會 高品質Ta2O5介電層的製作 主辦單位：臺北城市科技大學工學院 摘要 研究與討論 結論 2019 高品質Ta2O5介電層的製作 科技部計畫編號： MOST 103-2221-E-149 -004– 鄧一中、沈志澔 臺北城市科技大學 資訊工程系 摘要 本計劃的鉭金屬是利用濺鍍法沈積於矽基材上，在氧化過程中為避免鉭與下層的矽反應，首先以低溫通氧氣的爐管來氧化鉭金屬。再經過快速熱退火處理,可得到較佳品質的五氧化二鉭。量測結果顯示，這些薄膜幾乎沒有磁滯效應，但是頻率散射頗為明顯。等效二氧化矽厚度（EOT）大約為16Å到19Å，介電係數為18到20。這些薄膜在1伏特時的漏電流密度約為10-2A/cm2），比相同EOT的二氧化矽薄膜約小二個數量級。 研究與討論 五氧化二鉭的等效二氧化矽厚度如左圖所示， 其厚度是由電容-電壓量測法萃取出，並經過n&k量測驗證，經過不同溫度RTA處理後，其EOT值成不規則變化這是由於兩種效應同時競爭下的結果，第一種效應是Ta2O5膜經過熱處理之後會使Ta2O5膜變得更致密，其結構會由非晶變成複晶，造成其介電常數增加，另一種效應是介面二氧化矽的形成，因介面二氧化矽介電常數僅3.9，其整體介電常數反而會下降，由圖中所示，此效應要到經850℃60秒以上的退火處理後才會有介面二氧化矽的形成。 經過了不同溫度與時間的熱退火處理後，Al/Ta2O5/<Si>電容的漏電流密度幾乎差不多，如下圖左，所有的漏電流密度大約比以相同等效厚度的傳統之二氧化矽作為電容介電層漏電流密度還低100倍，這顯示五氧化二鉭薄膜能有效的改進極薄氧化層的穿遂的效應之問題，下圖右的J-E曲線顯示在電場強度12MV/cm的條件下，經過1000秒的定電壓應力(Constant Voltage Stress)劣化實驗，幾乎不會有改變，這顯示以五氧化二鉭作為閘極介電層材料，不會有可靠性的問題。 結論 本計劃成功的得到一等效厚度約為18到20Å後的五氧化二矽介電薄膜，其介電常數約為20至22 ，以此層介電層作為電容之介電材料，在一伏特的電壓下漏電流密度低於10-2 (A/cm2) ，比起傳統純二氧化矽電容低了100倍，經過了定電壓應力1000秒後，其漏電流仍無明顯的差異，因此我們可說五氧化二鉭是一個良好的介電材料，並具有取代傳統二氧化矽作為閘極電容介電層材料之潛力。 主辦單位：臺北城市科技大學工學院 機械工程系、電機工程系、資訊工程系、電腦與通訊工程系