氧空位對ZrSiO基MIM結(jié)構(gòu)電容電學(xué)性能的影響

徐文彬，任高潮

(1．集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2．浙江大學(xué)信息與電子工程系，浙江 杭州 310027)

0 引言

近年來，隨著電子器件的小型化發(fā)展，高k介質(zhì)薄膜的應(yīng)用得到了普遍的重視，研發(fā)更小尺寸和更高密度的MIM電容對現(xiàn)代電子電路的發(fā)展具有重要意義．同傳統(tǒng)的SiO2薄膜相比，高k介質(zhì)薄膜可以在不降低膜層厚度的前提下更好地實現(xiàn)上述目標(biāo)．但在模擬和射頻集成電路領(lǐng)域，將高k介質(zhì)薄膜應(yīng)用于MIM電容中還需要解決其非線性電容－電壓特性 (C－V特性)問題．一個常用的關(guān)于非線性C－V特性的描述公式為[1－5]:ΔC(V)=C0(αV2+βV)，其中:C0為零偏壓條件下的靜態(tài)電容值;α和β分別用于描述電容－電壓之間的二次關(guān)系和線性關(guān)系．β值主要受電路層面因素影響，而二次系數(shù)α值主要受器件和介質(zhì)方面因素影響，因此，α也成為近年來MIM電容領(lǐng)域的研究重點之一．工藝條件、膜系結(jié)構(gòu)、電極材料、介質(zhì)成分等因素均可能對二次系數(shù)產(chǎn)生影響．根據(jù)相關(guān)報道[3－7]，由于氧含量是影響ZrSiO薄膜性能的主要因素，同電容的非線性C－V特性直接相關(guān)．本文在其他條件一致的情況下，圍繞介質(zhì)層氧空位問題對ZrSiO薄膜展開研究，將氧含量作為關(guān)鍵工藝參數(shù)加以研究，并從沉積時氧氣流 (oxygen flow rate during sputtering deposition，OFD)和退火時氧氣流(oxygen flow rate during annealing，OFA)兩方面加以討論．利用射頻磁控濺射工藝制備ZrSiO薄膜，并通過調(diào)整和氧空位密度相聯(lián)系的氧流量來優(yōu)化ZrSiO基薄膜電容的性能．

1 實驗過程

樣品制備襯底選用有金屬Pt覆蓋的硅襯底，并采用c(ZrO2)∶c(SiO2)=50∶50的靶材進(jìn)行ZrSiO薄膜的射頻磁控濺射沉積．濺射過程中本底真空優(yōu)于10－3Pa，襯底偏壓為－20 V，靶基距為80 mm，濺射功率保持750 W，濺射時的氣體組合為3 mL/min流量的氬氣和在0.5～2 mL/min范圍內(nèi)變化的氧氣流．

所有的ZrSiO薄膜濺射時間均為90 min，之后在不同氧氣流量條件下進(jìn)行沉積后熱處理以優(yōu)化其電學(xué)性能，在完成ZrSiO薄膜制備后，繼續(xù)用金屬Pt做電極制備對應(yīng)的MIM結(jié)構(gòu)電容，所得電容面積均小于5×10－2cm2．并在制備完成后用HP4294A和HP4145A等設(shè)備進(jìn)行了電容－電壓特性和漏電特性的測試．

2 結(jié)果與討論

圖1給出了不同氧氣流條件下制得的ZrSiO薄膜漏電流密度和外加偏壓之間的關(guān)系．在外加偏壓大于2 V的范圍內(nèi)，沉積后薄膜均顯示了較高的漏電流密度．但就氧氣流條件來說，起主要影響的還是初始沉積階段的氧氣流條件，同等條件下增加0.5～1.0 mL/min氧氣流進(jìn)行的退火處理僅能使漏電流降低1個數(shù)量級左右，而當(dāng)初始沉積時氧流量從0.5 mL/min增加到1.5 mL/min時，卻可以使最終薄膜的漏電流降低三個數(shù)量級以上．漏電流的變化與薄膜的氧空位密度有關(guān)，氧空位通常被認(rèn)為是高k介質(zhì)中的過量施主來源．本實驗條件下，與漏電流密度相關(guān)的氧空位數(shù)量主要受沉積時氧氣流條件影響[6－10]，而成膜后退火時增加的氧氣流對薄膜僅能起到有限的修復(fù)作用．因此，初始濺射沉積時0.5 mL/min的低氧氣流條件容易使薄膜中出現(xiàn)大量氧空位電荷，從而導(dǎo)致電容中較高的漏電流密度．而隨著沉積時氧氣供應(yīng)量的增加，薄膜中氧空位密度相應(yīng)降低，漏電性能也得到改善．

圖1 MIM結(jié)構(gòu)ZrSiO薄膜電容中漏電流密度和外加偏壓之間的關(guān)系Fig.1 Leakage current density versus bias voltage for the ZrSiO films based MIM capacitors

電容－電壓特性是測試ZrSiO薄膜的另一重要指標(biāo)．圖2描繪了ZrSiO薄膜的歸一化電容 (測試頻率:100 kHz)同氧氣流條件之間的關(guān)系．圖2中曲線描繪的正二次系數(shù)值變化趨勢表明，隨著沉積時氧氣供應(yīng)的增加，歸一化電容值逐漸下降，抑制了薄膜的非線性電壓特性．沉積后的ZrSiO薄膜進(jìn)一步在不同氧氣流量條件下進(jìn)行了退火處理．圖3給出的ZrSiO電容C－V特性曲線同時包含了沉積時氧氣流和退火時氧氣流兩方面因素，氧氣流條件的增加均有助于曲線非線性程度的降低和電學(xué)性能的改善．但由于圖3數(shù)據(jù)是在測試頻率 (1 MHz)擴(kuò)大十倍的條件下測得的，電容值會有所增加，而通過增加退火時氧氣流 (OFA從1.0 mL/min增加到1.5 mL/min)帶來的電容值變化卻和圖2中增加沉積時氧氣流 (OFD從1.0 mL/min增加到1.5 mL/min)帶來的變化相當(dāng)，說明在改善電容－電壓特性方面，沉積后退火起主要作用．

同圖2相比，圖3中的數(shù)據(jù)是在更高頻率條件下測得的，在1.0 mL/min的沉積時氧氣條件下，圖3中的二次非線性電壓特性值與圖2數(shù)據(jù)相比增加了約20%．這一弛豫現(xiàn)象可能源于介質(zhì)中的慢速載流子[10－14]，而慢速載流子的主要來源恰為薄膜沉積過程中產(chǎn)生并積累的氧空位，當(dāng)積累到一定程度的氧空位電荷無法完全跟上外加交流偏壓變化時，就導(dǎo)致了電容在外加偏壓作用下的非線性增長．而增大氧氣流尤其是退火時氧氣流，可以有效降低薄膜中以氧空位為主的慢速載流子密度，從而抑制ZrSiO薄膜的非線性特性．

圖2 不同氧氣流條件制得的ZrSiO薄膜電容（測試頻率：100 kHz）Fig.2 Comparison of capacitance nonlinearity for the ZrSiO grown under different conditions(capacitance was measured at 100 kHz)

圖3 不同制備條件下制得的ZrSiO薄膜電容（測試條件：1 MHz）Fig.3 Comparison of capacitance nonlinearity for the ZrSiO grown under different conditions(capacitance was measured at 1 MHz)

氧空位密度的變化也可以從圖1的電流－電壓特性體現(xiàn)出來．從圖1中漏電曲線族的變化曲率來看，每條曲線均可分為兩個不同區(qū)域，即低偏壓條件下的TAT機(jī)制作用區(qū)域和高偏壓條件下的PF機(jī)制作用區(qū)域[8－14]．根據(jù)曲線中漏電機(jī)制轉(zhuǎn)換點的變化表明，隨著氧氣流的增加，需要更高的外加偏壓才能實現(xiàn)TAT漏電向PF漏電的轉(zhuǎn)變．在工藝過程中增加氧氣供應(yīng)后漏電機(jī)制轉(zhuǎn)變的滯后同介質(zhì)中陷阱能級的提高有關(guān)，這一變化也體現(xiàn)為圖2和圖3中非線性電壓特性在氧氣流量增加后受到抑制的現(xiàn)象．圖3中1.0 mL/min沉積時氧氣流量和1.5 mL/min退火時氧氣流量相結(jié)合制得的ZrSiO薄膜α值最低，在漏電流方面，和圖1中1.5 mL/min沉積時氧氣流量制得的薄膜相比處同一數(shù)量級，是本實驗條件下的最佳工藝組合．

3 結(jié)論

本文討論了工藝過程中的氧氣流改變對ZrSiO薄膜基MIM結(jié)構(gòu)電容電學(xué)性能的影響．在本實驗條件下，采用1.0 mL/min沉積時氧氣流量和1.5 mL/min退火氧氣流量結(jié)合的工藝條件可以將二次非線性電壓特性參數(shù)降低50%以上，漏電流降低約兩個數(shù)量級，有效改善了ZrSiO薄膜電學(xué)特性，在MIM電容領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景．

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