通过微波退火增强原子层沉积的 Al2O3/ZrO2/Al2O3 MIM 电容器的介电增强

背景

金属-绝缘体-金属（MIM）电容器已广泛应用于射频（RF）、动态随机存取存储器（DRAM）和模拟/混合信号集成电路领域。随着器件特征尺寸的缩小，需要获得更高的电容密度。例如要求电容密度大于10 fF/μm ² 根据国际半导体技术路线图 (ITRS) [1] 的 2020 节点。因此，已经研究了大量高κ材料，例如HfO2 [2,3,4,5,6]，ZrO2 [7,8,9,10,11,12,13,14]， Ta2O5 [15,16,17,18] 和 TiO2 [19,20,21,22,23,24]。在这些高κ材料中，ZrO2的介电常数（κ）为16~25（单斜相），带隙为5.8 eV。然而，当 ZrO2 分别结晶成立方相和四方相时，其 κ 值可以提高到 36.8 和 46.6 [25]。因此，可以进一步增加电容密度。微波退火 (MWA) 技术在硅中的掺杂激活 [26,27,28] 和硅化物的形成 [29, 30] 中得到了广泛的研究，因为与传统的热处理技术相比，微波退火 (MWA) 技术的工艺温度较低。此外，Shih 等人。 [31] 研究了 MWA 对 TiN/Al/TiN/HfO2/Si MOS 电容器电气特性的影响。等效氧化层厚度、界面态密度、漏电流密度等关键参数均得到改善。

在这项工作中，研究了 MWA 对 TaN/Al2O3/ZrO2/Al2O3/TaN (TaN/A/Z/A/TaN) MIM 电容器电性能的影响。随着MWA的使用，ZrO2的介电常数显着提高，漏电流密度略有增加。此外，还研究了潜在的传导机制。

方法

首先，通过PECVD在Si衬底上生长500nm厚的SiO2薄膜，然后沉积TaN（20 nm）/Ta（100 nm）薄膜，并通过在N2/Ar等离子体中溅射Ta靶来生长TaN。随后，将涂有 TaN/Ta 薄膜的 Si 晶片转移到 ALD 室中，并在 250 °C 下沉积 Al2O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm)/Al2O3 (2 nm) 的纳米堆叠。 Al2O3 和 ZrO2 薄膜分别由 Al (CH3)3/H2O 和 [(CH3)2N]4Zr/H2O 生长而成。值得一提的是，在底部 TaN 电极和 ZrO2 层之间插入了超薄的 Al2O3 层，以抑制 ALD 和沉积后退火过程中界面层的形成。之后，样品进行微波退火。 MWA 在 DSGI 八角室中以 5.8 GHz 频率进行。在退火期间，样品被放置在室的中间，在那里电磁场是最均匀的。样品的原位温度由面向样品背面的 Raytek XR 系列红外高温计监测。功率从 700 W 到 1400 W 不等，退火时间固定为 5 分钟。最后，通过反应溅射、光刻和反应离子蚀刻依次形成100 nm厚的TaN顶部电极。

ALD 薄膜厚度用椭偏仪 (SOPRA GES 5E) 测量并通过透射电子显微镜 (TEM) 确认。电容-电压 (C-V ) 由精密阻抗分析仪 (Agilent 4294A) 测量，幅度为 50 mV AC。电流-电压 (I-V ) 测量是在暗箱中使用半导体器件分析仪 (Agilent B1500) 进行的。偏压施加到顶部电极。

结果与讨论

基于 A/Z/A 的 MIM 电容器和 MWA 室的示意性结构分别如图 1a 和 b 所示。图 1c 展示了基于 A/Z/A 的 MIM 电容器的横截面 TEM 图像，该电容器在 1400 W 下经受 MWA 5 分钟。观察到 ZrO2 层完全结晶，堆叠层可以清楚地区分，见插图。图 2a 显示了不同退火功率下电容密度的累积概率图。结果表明，MIM电容器的电容密度分别为7.34、8.87、8.96和9.06 fF/μm ² 分别为 0、700、1050 和 1400 W，累积概率为 50%。因此，电容密度在微波的作用下增加。具有 MWA 的 A/Z/A 堆叠 MIM 电容器的电容密度分布非常窄，表明退火均匀性非常好。图 2a 中的插图展示了所有样品的典型 CV 曲线。排除 Al2O3 (κ ≈ 8) 的影响，ZrO2 薄膜的介电常数在 0、700、1050 和 1400 W 下分别提取为 28.3、40.1、41 和 41.9，如图 2b 所示。对于 1400 W 的微波功率，ZrO2 薄膜的介电常数与沉积样品相比增加了 40%。 ZrO2 介电常数的显着提高可归因于微波退火过程中的高度结晶，如图 1c 所示。如上所述，当 ZrO2 分别结晶为立方相和四方相时，其介电常数可以提高到 36.8 和 46.6 [25]。因此，进行XRD测量以进一步研究介电常数增强的机制。如图 2b 的插图所示，在 1400 W 的 MWA 处理后，峰值存在于 ~ 30. 7°，表明在 ZrO2 中出现了四方相 (111) [32, 33]。这种四方相的存在导致介电常数从28.3提高到40以上。

一 Al2O3/ZrO2/Al2O3基MIM电容器结构示意图。 b MWA室的结构示意图。 c Al2O3/ZrO2/Al2O3基MIM电容器的TEM图，MWA为1400 W，5 min

一 不同样品电容密度的累积概率图；插图显示了相对于偏置的电容密度。 b 不同样品ZrO2介电常数的累积概率图；插图展示了沉积态和 1400 W 样品的 XRD 谱

由于 MIM 电容器是在集成电路的后端 (BEOL) 中制造的，因此工艺温度必须低于 400 °C [34]。如图 3 所示，MWA 的温度曲线表明，对于 700、1050 和 1400 W，基板的最高温度分别为 260、350 和 400 °C。因此，从工艺温度的角度来看，MWA 与 CMOS 工艺兼容。此外，在之前的工作 [13] 中，基于 Al2O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm) 的 MIM 电容器在 N2/H2 环境中在 420 °C 下进行 10 分钟的快速热退火 (RTA) 和由此产生的电介质ZrO2 的常数被评估为 40。对于 RTA，退火时间保持恒定在 420 °C，持续 10 分钟，因此与 MWA 相比，热预算要大得多。对于 MWA [35, 36]，偶极极化被认为是分子水平上能量转移的最重要机制。当接触的材料具有不同的介电特性时，微波将选择性地与介电损耗较高的材料耦合。相比之下，传统的 RTA 将热量最有效地传递给具有高电导率的材料。

不同样品在微波退火过程中的衬底温度曲线

漏电流是 MIM 电容器的另一个重要参数。如图 4a 所示，由于存在明显的转折点，所有样品的漏电流曲线可以分为两部分，表明不同的电子传导机制。对于经过 MWA 处理的样品，与沉积态样品相比，转折点对应的电压更小。表 1 列出了所有样品在 ± 4 V 处的漏电流密度。以4 V为例，漏电流密度从1.06 × 10 ⁻⁷ 到 1.92 × 10 ⁻⁵ A/cm ² , 即当微波功率从 0 增加到 1400 W 时，幅度增强了两个数量级。由于 ZrO2 薄膜的高度结晶，将出现大量晶界并作为泄漏路径，从而增强电子传导在高电场下。然而，考虑到工作电压为 2 V，漏电流密度为 1.23 × 10 ⁻⁸ 和 1.36 × 10 ⁻⁸ A/cm ² 分别为沉积态样品和 1400 W 样品。显然，微波退火对低电场下的泄漏性能影响不大。此外，击穿电压是从 I -V 测试并绘制在图 4b 中。对于沉积态样品，击穿电压约为 9.8 V，累积概率为 50%。随着MWA的应用，击穿电压降低到~ 9 V。这种击穿电压的降低可能与ZrO2微观结构的变化有关。

一 漏电流密度图 (J ) 与偏差和 b 不同样品击穿电压的累积概率图

为了进一步了解 MWA 对漏电流的影响，研究了 MIM 电容器的传导机制。基于之前对基于 Al2O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm) 的 MIM 电容器的研究 [13, 14]，在高电场中的主要导电机制被证实为场辅助隧穿 (FAT)。对于陷阱相关隧穿的 FAT，电子首先被绝缘体中的陷阱捕获，然后直接隧穿到绝缘体的导带 [37]。在目前的工作中，A/Z/A 基 MIM 电容器中的 Al2O3 和 ZrO2 薄膜是在相同的条件下沉积的，因此泄漏电流可能也以 FAT 为主。 FAT 模型可以用公式表示。 (1) [37]

其中 A 是一个常数，E 是电场，q 是电子电荷，m * 代表有效电子质量（约 0.25 m 0，其中 m 0 是自由电子质量），k 是玻尔兹曼常数，φ t 是将陷阱与导带分开的能垒，h 是普朗克常数。

就堆叠电介质而言，由于介电常数和厚度不同，施加到每一层的电场彼此不同。因此，在讨论传导机制时，使用整个堆栈的平均电场会带来严重的错误。因此，必须准确提取穿过 ZrO2 层的电场。 ZrO2上的电场为3.125 × 10 ⁷ × V 堆栈，2.5 × 10 ⁷ × V 堆栈，2.47 × 10 ⁷ × V 堆栈，2.44 × 10 ⁷ × V 根据高斯定律和基尔霍夫电压定律 [38, 39]，分别为沉积态、700 W、1050 W 和 1400 W 样品堆叠：

其中 k A 和 κ Z分别代表Al2O3和ZrO2的介电常数； E A 和 E Z 分别表示穿过 Al2O3 和 ZrO2 的电场； d A 和 d Z 分别等于 Al2O3 和 ZrO2 的厚度；和 V 堆栈是施加到堆栈的电压。因此，Ln (J /E Z ² ) 与 1/E Z 在图 5 中任意绘制，其中在电子底部注入（参见图 5a）或电子顶部注入（参见图 5b）下的每个样品的高场区域中实现了直线拟合。这意味着 FAT 机制在高电场下占主导地位。提取的φ 对于沉积态、700 W、1050 W 和 1400 W 的电子底部注入样品，t 分别为 0.73、0.51、0.38 和 0.35 eV。在电子顶注入方面，相应的φ t 分别为 0.82、0.53、0.47 和 0.43 eV。因此，MWA 诱发了一些浅陷阱。据报道，浅陷阱是由晶界缺陷引起的，这些缺陷可以在导带附近引入额外的电子态 [40]。此外，低场下的传导机制很可能是陷阱辅助隧穿（TAT）。

Ln (J /E ² ) vs 1/E 对于不同的样品。 一 电子底注入和b 电子顶注入

结论

原子层沉积的 Al2O3/ZrO2/Al2O3 纳米堆叠用作 MIM 电容器的绝缘体。随着MWA在1400 W下5 min的影响，电容密度增加到9.06 fF/μm ² , 大约 23.4% 的电容增强。去除 Al2O3 的影响，1400 W 样品的介电常数推导出为 41.9（介电常数增加~ 40%）。这种介电常数的提高源于 ZrO2 膜的高度结晶。此外，基板温度低于400 °C，使MWA与BEOL工艺兼容。这种较低的基板温度可归因于对 MWA 材料的选择性加热。工作电压为2 V时，漏电流密度为1.23 × 10 ⁻⁸ 和 1.36 × 10 ⁻⁸ A/cm ² 分别为沉积态样品和 1400 W 样品。高电场中的主导传导机制被证实为 FAT 过程。低电场中的漏电流可能由 TAT 决定。综上所述，微波退火是CMOS工艺中一种很有前途的提高MIM电容器介电性能的技术。

缩写

A/Z/A：

Al2O3/ZrO2/Al2O3

ALD：

原子层沉积

BEOL：

行尾

C-V ：

电容-电压

DRAM：

动态随机存取存储器

FAT：

场辅助掘进

ITRS：

国际半导体技术路线图

I-V ：

电流-电压

MIM：

金属-绝缘体-金属

MWA：

微波退火

PECVD：

等离子体增强化学气相沉积

RF：

射频

RTA：

快速热退火

TAT：

陷阱辅助掘进

TEM：

透射电子显微镜