原子層淀積高k介質(zhì)MIM電容性能研究.pdf

1、金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容在射頻(RF)集成電路中具有廣泛的應(yīng)用,并且隨著RF集成電路的高速發(fā)展,對(duì)MIM電容的電容密度也提出了更高的要求,傳統(tǒng)SiO2和Si3N4絕緣介質(zhì)MIM電容已面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)付這種挑戰(zhàn),本文研究了基于高介電常數(shù)HfO2,Al2O3和Nb2O5三種材料的MIM電容。
　　 首先,比較研究了不同底電極對(duì)MIM電容器件性能的影響,即采用磁控濺射的TaN、Ta和HfN三種材料為底電極,原子層淀積(A

2、LD)的HfO2為絕緣介質(zhì)。利用高分辨率透射電子顯微鏡、電容—電壓和電流—電壓特性測(cè)量,分析了HfO2介質(zhì)MIM電容的電學(xué)性質(zhì)及相關(guān)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在HfO2的原子層淀積過程中,Ta底電極容易被氧化而形成了Ta的氧化物,從而增大了整個(gè)介質(zhì)層的厚度,同時(shí)增大了其界面態(tài)密度而影響電壓線性(即VCC大小),使MIM電容的性能變差。然而,TaN、HfN底電極化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,在原子層淀積工藝過程中不易被氧化,避免了界面氧化層的形成,獲得較高的電容密度

3、、較小的VCC以及較高的擊穿強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)上述三種MIM電容的漏電機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　 其次,以Nb(OC2H5)5與去離子水(H2O)為反應(yīng)源,采用ALD方法制備了高介電常數(shù)Nb2O5介質(zhì)薄膜,研究了淀積溫度對(duì)Nb2O5薄膜淀積速率、化學(xué)組成和折射率的影響,采用X射線光電子能譜和橢圓偏振光譜法對(duì)其進(jìn)行表征。結(jié)果表明,ALD淀積Nb2O5速率為0.07～0.09nm/cycle,300℃生長的介質(zhì)具有較多的缺陷。此外,還研究了后

4、退火對(duì)Nb2O5薄膜結(jié)晶特性的影響,表明剛淀積的薄膜呈非晶態(tài),500℃退火就導(dǎo)致其結(jié)晶。
　　 最后,論文研究了基于Al2O3和HfO2的MIM電容的VCC機(jī)理,應(yīng)用兩種較為流行的模型,對(duì)以上兩種MIM電容的VCC曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)影響Al2O3介質(zhì)MIM電容的VCC的主要機(jī)制為自由載流子機(jī)制,與漏電流有關(guān);HfO2介質(zhì)MIM電容的VCC與其厚度有密切關(guān)系,HfO2為55nm時(shí),影響機(jī)制主要為氧空位電極極化機(jī)制,HfO2為12n