Diëlektrische verbetering van door atoomlaag afgezette Al2O3/ZrO2/Al2O3 MIM-condensatoren door middel van microgolfgloeien

Resultaten en discussie

De schematische structuren van de op A/Z/A gebaseerde MIM-condensator en de MWA-kamer worden respectievelijk getoond in Fig. 1a en b. Afbeelding 1c toont het TEM-beeld in dwarsdoorsnede van de op A/Z/A gebaseerde MIM-condensator die gedurende 5 min. wordt onderworpen aan de MWA bij 1400 W. Opgemerkt wordt dat de ZrO₂ laag is volledig uitgekristalliseerd en de gestapelde lagen zijn duidelijk te onderscheiden, zie inzet. Figuur 2a toont de cumulatieve waarschijnlijkheidsgrafiek van de capaciteitsdichtheid bij verschillende gloeivermogens. De resultaten laten zien dat de capaciteitsdichtheden van de MIM-condensatoren 7,34, 8,87, 8,96 en 9,06 fF/μm ² zijn respectievelijk voor 0, 700, 1050 en 1400 W met een cumulatieve kans van 50%. Daarom wordt de capaciteitsdichtheid verhoogd onder invloed van microgolven. De zeer smalle verdeling van de capaciteitsdichtheid voor de A/Z/A-stack MIM-condensatoren met MWA duidt op een zeer goede gloeiuniformiteit. De inzet in figuur 2a vertoont de typische CV-curven van alle monsters. Exclusief het effect van Al₂ O₃ (κ ≈ 8), de diëlektrische constanten van de ZrO₂ films worden geëxtraheerd als 28,3, 40,1, 41 en 41,9 voor respectievelijk 0, 700, 1050 en 1400 W, onthuld door Fig. 2b. Wat betreft het microgolfvermogen van 1400 W, de diëlektrische constante van de ZrO₂ film neemt toe met 40% in vergelijking met het als afgezette monster. De significante verbetering van de permittiviteit van ZrO₂ kan worden toegeschreven aan de hoge kristallisatie tijdens het gloeien in de magnetron, weergegeven in figuur 1c. Zoals hierboven vermeld, is de diëlektrische constante van ZrO₂ kan worden verhoogd tot 36,8 en 46,6 wanneer het wordt gekristalliseerd in respectievelijk kubische en tetragonale fase [25]. Daarom werd de XRD-meting uitgevoerd om het mechanisme van de verbetering van de diëlektrische constante verder te onderzoeken. Zoals getoond in de inzet van figuur 2b, bestond er een piek bij ~-30,7° na de MWA-verwerking bij 1400  W, wat wijst op het verschijnen van de tetragonale fase (111) in ZrO₂ [32, 33]. De aanwezigheid van deze tetragonale fase is verantwoordelijk voor de verhoging van de diëlektrische constante van 28,3 tot meer dan 40.

een De schematische structuur van Al₂ O₃ /ZrO₂ /Al₂ O₃ gebaseerde MIM-condensator. b De schematische structuur van de MWA-kamer. c TEM-foto van Al₂ O₃ /ZrO₂ /Al₂ O₃ -gebaseerde MIM-condensator met MWA bij 1400 W gedurende 5 min

een De cumulatieve waarschijnlijkheidsgrafiek van de capaciteitsdichtheid voor verschillende monsters; de inzet geeft de capaciteitsdichtheid weer tegen de bias. b De cumulatieve waarschijnlijkheidsplot van de permittiviteit van ZrO₂ voor verschillende monsters; de inzet vertoont de XRD-patronen van de as-deposited en 1400 W-monsters

Aangezien de MIM-condensatoren worden gefabriceerd in de back-end of line (BEOL) van geïntegreerde schakelingen, moet de procestemperatuur lager zijn dan 400 °C [34]. Zoals weergegeven in Fig. 3, geven de temperatuurcurven van MWA aan dat de hoogste temperaturen van het substraat 260, 350 en 400 °C zijn voor respectievelijk 700, 1050 en 1400 W. Daarom is MWA compatibel met het CMOS-proces vanuit het oogpunt van procestemperatuur. Verder, in het vorige werk [13], Al₂ O₃ (2 nm)/ZrO₂ Op (20 nm) gebaseerde MIM-condensatoren werden onderworpen aan snel thermisch uitgloeien (RTA) bij 420 °C gedurende 10 min in N₂ /H₂ omgevingstemperatuur en de resulterende diëlektrische constante van ZrO₂ werd beoordeeld als 40. Voor RTA werd de gloeitijd 10 min constant gehouden op 420 ° C, dus het thermische budget was veel groter in vergelijking met MWA. Voor MWA [35, 36] wordt gedacht dat dipoolpolarisatie het belangrijkste mechanisme is voor energieoverdracht op moleculair niveau. Wanneer materialen die in contact staan ​​verschillende diëlektrische eigenschappen hebben, zullen microgolven selectief koppelen met de materialen met een hoger diëlektrisch verlies. Daarentegen brengt conventionele RTA warmte het meest efficiënt over naar materialen met een hoge geleidbaarheid.

De curven van de substraattemperatuur voor verschillende monsters tijdens het microgolfgloeien

Lekstroom is een andere belangrijke parameter voor MIM-condensatoren. Zoals te zien is in figuur 4a, kan de lekstroomcurve voor alle monsters in twee secties worden verdeeld, aangezien er een duidelijk keerpunt is, dat verschillende elektronengeleidingsmechanismen aangeeft. Wat betreft de monsters met MWA-verwerking, is de spanning die overeenkomt met het keerpunt kleiner in vergelijking met het in de staat gebrachte monster. Tabel 1 vermeldt de lekstroomdichtheid bij ±  4 V voor alle monsters. Neem bijvoorbeeld 4 V, de lekstroomdichtheid wordt verhoogd van 1,06 × 10 ⁻⁷ tot 1,92 × 10 ⁻⁵ A/cm ² , d.w.z. twee orden van amplitude verbeterd wanneer het microgolfvermogen wordt verhoogd van 0 tot 1400  W. Vanwege een hoge kristallisatie van de ZrO₂ film, zal een groot aantal korrelgrenzen verschijnen en dienen als het lekkende pad, waardoor de elektronengeleiding onder een hoog elektrisch veld wordt verbeterd. Bij een werkspanning van 2 V zijn de lekstroomdichtheden echter 1,23 × 10 ⁻⁸ en 1.36 × 10 ⁻⁸ A/cm ² voor respectievelijk als gedeponeerd monster en 1400 W monster. Het is duidelijk dat het microgolfgloeien weinig effect heeft op de lekkageprestaties onder een laag elektrisch veld. Verder werd de doorslagspanning geëxtraheerd uit de I -V test en uitgezet in figuur 4b. Voor het als gedeponeerde monster is de doorslagspanning ongeveer 9,8 V bij een cumulatieve waarschijnlijkheid van 50%. Met de toepassing van MWA wordt de doorslagspanning verlaagd tot ~  9 V. Deze verlaging van de doorslagspanning kan verband houden met de verandering van de ZrO₂ microstructuur.

een De grafiek van de lekstroomdichtheid (J ) versus vooringenomenheid en b de cumulatieve waarschijnlijkheidsgrafiek van de doorslagspanning voor verschillende monsters

Om het effect van MWA op de lekstroom beter te begrijpen, worden de geleidingsmechanismen van de MIM-condensatoren onderzocht. Gebaseerd op het eerdere onderzoek naar Al₂ O₃ (2 nm)/ZrO₂ Op (20 nm) gebaseerde MIM-condensator [13, 14], het dominante geleidingsmechanisme in een hoog elektrisch veld werd bevestigd als veldondersteunde tunneling (FAT). Voor FAT, dat trap-gerelateerde tunneling is, worden eerst elektronen opgevangen door de vallen in de isolator en vervolgens rechtstreeks naar de geleidingsband van de isolator getunneld [37]. In het huidige werk, de Al₂ O₃ en ZrO₂ films in de op A/Z/A gebaseerde MIM-condensatoren werden onder dezelfde omstandigheden afgezet, dus de lekstroom is waarschijnlijk ook overheersend door FAT. Het FAT-model kan worden uitgedrukt door Vgl. (1) [37]

waar A is een constante, E is het elektrische veld, q is de elektronische lading, m * staat voor de effectieve elektronenmassa (ongeveer 0,25 m ₀ , waar m ₀ is de vrije elektronenmassa), k is de Boltzmann-constante, φ _t is de energiebarrière die vallen scheidt van de geleidingsband, en h is de constante van Planck.

Wat betreft de gestapelde diëlektrica, verschilt het op elke laag toegepaste elektrische veld van elkaar vanwege de verschillende permittiviteit en dikte. Daarom zal het gebruik van het gemiddelde elektrische veld over de hele stapel ernstige fouten veroorzaken bij de bespreking van het geleidingsmechanisme. Als gevolg hiervan is het elektrische veld over de ZrO₂ laag moet nauwkeurig worden geëxtraheerd. De elektrische velden over ZrO₂ zijn 3.125 × 10 ⁷ × V _stapel , 2,5 × 10 ⁷ × V _stapel , 2.47 × 10 ⁷ × V _stapel , en 2.44 × 10 ⁷ × V _stapel respectievelijk voor as-deposited, 700 W, 1050 W en 1400 W monsters volgens de wet van Gauss en de spanningswet van Kirchhoff [38, 39]:

waar k _A en κ _Z vertegenwoordigen de diëlektrische constanten van Al₂ O₃ en ZrO₂ respectievelijk; E _A en E _Z duiden de elektrische velden aan over Al₂ O₃ en ZrO₂ respectievelijk; d _A en d _Z gelijk aan de diktes van Al₂ O₃ en ZrO₂ respectievelijk; en V _stapel is de spanning die op de stapel wordt toegepast. Dienovereenkomstig, Ln (J /E _Z ² ) versus 1/E _Z werd willekeurig uitgezet in figuur 5, waar een rechte lijnpassing werd bereikt in het hoge veldgebied voor elk monster onder elektronenbodeminjectie (zie figuur 5a) of elektronenboveninjectie (zie figuur 5b). Dit betekent dat het FAT-mechanisme wordt gedomineerd bij hoge elektrische velden. De geëxtraheerde φ _t is respectievelijk 0,73, 0,51, 0,38 en 0,35 eV voor as-deposited, 700 W, 1050 W en 1400 W monsters onder elektronenbodeminjectie. In termen van elektronentopinjectie is de corresponderende φ _t is respectievelijk 0,82, 0,53, 0,47 en 0,43 eV. Daarom worden sommige ondiepe vallen geïnduceerd door MWA. Van de ondiepe vallen wordt gemeld dat ze voortkomen uit de korrelgrensdefecten die extra elektronische toestanden in de buurt van de geleidingsband kunnen introduceren [40]. Bovendien is het geleidingsmechanisme bij lage velden hoogstwaarschijnlijk trap-assisted tunneling (TAT).

De plot van Ln (J /E ² ) vs 1/E voor verschillende monsters. een Elektronenbodeminjectie en b elektron top-injectie