SrHfON高k栅介质薄膜的漏电特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学凝固技术国家重点实验室 作者:王雪梅

  采用射频反应磁控溅射法在p- Si( 100) 衬底上成功制备出SrHfON 高k 栅介质薄膜,并研究了Au/ SrHfON/ Si MOS电容的漏电流机制及应力感应漏电流( SILC) 效应。结果表明,MOS 电容的漏电流密度随N2 流量的增加而减小。在正栅压下,漏电流主要由Schottky 发射机制引起;在负栅压下,漏电流机制在低、中、高栅电场区时分别为Schottky 发射、F-P 发射和F-N 隧穿机制。同时,Au/ SrHfON/ SiMOS 电容表现出明显的SILC 效应,经恒压应力后薄膜在正栅压下的漏电流由Schottky 发射和F-P发射机制共同作用,且后者占主导地位。

  Int℃l 公司创始人之一Gordon Moor℃在1965 年提出著名的摩尔定律:集成电路每隔3 年集成度增加4 倍,特征尺度缩小2/ 2。集成电路产业一直遵循该定律所预言的速度持续发展,器件尺寸不断缩小。由2008 年国际半导体技术路线图(ITRS ) 可知,目前和下一代MOSF℃T 栅氧化层的厚度都要求在1nm 以下。随着MOSF℃T 特征尺寸的不断减小,当传统栅介质SiO2 尺寸减小到纳米量级时,通过SiO2 的漏电流呈指数增长,严重影响器件的稳定性和可靠性。因此,人们提出了高介电常数( 高k )栅介质材料,其中HfO2 由于具有高的介电常数( 20~ 25) 、大的禁带宽度( 5.6 EV) 、与硅表面良好的稳定性,而成为很有希望替代SiO2 的栅介质材料之一。然而,HfO2 晶化温度相对较低( 300~ 500 ℃ ) ,在高温退火工艺中易晶化。为改善其特性,研究人员在HfO2 中掺入N、Sr、Si 等元素,形成了新型的Hf基高k 材料。SrHfO3 薄膜具有较高的介电常数( 约35) 、漏电流密度较小,但是其晶化温度依然较低( 约800 ℃ )。

  所以,本文在SrHfO3 薄膜中引入N 元素制备出SrHfON 薄膜,研究表明其晶化温度可达900 ℃ ,热稳定性比SrHfO3 薄膜得到提高。采用高k 材料虽然可以有效地减小直接隧穿电流,但由于栅介质层质量不高,界面态和氧化物陷阱密度较大,使得多种栅漏电流并存,所以有必要对材料的漏电流机制进行研究,以便针对性地优化工艺参数。与此同时,明确栅介质的漏电流机制也有利于探究栅介质的材料特性、界面特性及可靠性等问题。因此,近年来多种高k 材料( 如Al2O3,HfO2等) 的漏电流机制得到了广泛的研究。目前,对SrHfON 薄膜的研究报道还很少,尤其是还没有其漏电特性的文献报道。本文旨在探究掺杂元素N 含量及应力对SrHfON 薄膜漏电流的影响。

  相比等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、原子层沉积(ALD) 法、分子束外延(MBE) 法、电子束蒸发(EBE) 法等制备高k 薄膜的方法,本文采用的磁控溅射法具有适于大面积沉积膜,易于实现连续化、自动化操作,便于工业化生产等优点。本文研究思路如下:首先在Ar/N2 混和气氛下,以HfO2 及SrO 为靶材,采用射频反应磁控溅射法制备SrHfON 新型高k 栅介质薄膜;然后通过测量电流密度) 电场( J-E) 特性曲线,研究了SrHfON栅介质的漏电流运机制及应力感应漏电流(SILC) 效应。

结论

  本文采用射频反应磁控溅射法在p-Si (100) 衬底上成功制备了SrHfON高k 栅介质薄膜。XPS分析显示薄膜的组成可表示为Sr3.9-Hf31.6-O44.7-N19.8。当N2 流量为12 ml/ min 时制备的Au/ SrHfON/ SiMOS 电容在栅偏压为+1 V 时的漏电流密度为2.24× 10-6 A/ cm2。MOS 电容的漏电流密度随N2 流量的增加而减小。对其漏电流机制的研究表明:在正栅压下,漏电流主要由Schottky 发射机制引起;在负栅压下,漏电流机制在低( 0~ - 0.65 mV/ cm) 、中( 0.65~-1.07 mV/ cm) 、高( 1.07~ - 1.50 mV/ cm) 栅电场区时分别为Schottky 发射、F-P 发射和F-N 隧穿机制。对SILC 效应的研究表明,经恒压应力后薄膜在正栅压下的漏电流机制由Schottky 发射和F-P 发射共同作用,且后者占主导地位。

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