RF, DRAM 및 아날로그/혼성 신호 집적 회로 분야에 적용되는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터의 경우 장치 기능 크기의 축소와 함께 높은 정전 용량 밀도가 필수적입니다. 이 연구에서는 Al2의 유전 특성을 향상시키기 위해 마이크로파 어닐링 기술을 조사했습니다. O3 /ZrO2 /알2 O3 기반 MIM 커패시터. 결과는 ZrO2의 유전율이 5 분 동안 1400 W에서 마이크로웨이브 어닐링으로 41.9(~ 40% 향상됨)로 증가합니다. 기판 온도는 400 °C보다 낮으며, 이는 라인 공정의 백 엔드와 호환됩니다. 누설 전류 밀도는 1.23 × 10 −8 입니다. 및 1.36 × 10 −8 A/cm 2 증착된 상태의 시료와 1400 W 시료의 경우 각각 누설 특성이 저하되지 않음을 나타냅니다. 전도 메커니즘은 현장 보조 터널링으로 확인됩니다.
<섹션 데이터-제목="배경">금속 절연체 금속(MIM) 커패시터는 무선 주파수(RF), 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 및 아날로그/혼성 신호 집적 회로 분야에서 널리 사용되어 왔다. 디바이스 피처 크기의 축소와 함께 더 높은 커패시턴스 밀도를 얻는 것이 바람직합니다. 예를 들어, 커패시턴스 밀도는 10 fF/μm 2 보다 커야 합니다. ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)[1]의 2020 노드에 따라. 결과적으로 HfO2와 같은 많은 high-k 물질이 조사되었습니다. [2,3,4,5,6], ZrO2 [7,8,9,10,11,12,13,14], Ta2 O5 [15,16,17,18] 및 TiO2 [19,20,21,22,23,24]. 이러한 high-κ 재료 중 ZrO2 유전상수(κ)는 16~25(단사정상)이고 밴드갭은 5.8 eV입니다. 그러나 ZrO2의 κ 값은 입방체와 정방정계 상으로 결정화되면 각각 36.8과 46.6으로 향상될 수 있다[25]. 따라서 정전 용량 밀도를 더욱 높일 수 있습니다. 마이크로파 어닐링(MWA) 기술은 기존의 열처리 기술에 비해 공정 온도가 낮기 때문에 실리콘[26,27,28] 및 실리사이드 형성[29,30]의 도펀트 활성화에 대해 엄청나게 연구되었습니다. 또한 Shih et al. [31] TiN/Al/TiN/HfO2의 전기적 특성에 대한 MWA의 영향을 조사했습니다. /Si MOS 커패시터. 등가 산화물 두께, 계면 상태 밀도 및 누설 전류 밀도와 같은 일부 주요 매개변수가 모두 개선되었습니다.
이 연구에서 MWA가 TaN/Al2의 전기적 특성에 미치는 영향 O3 /ZrO2 /알2 O3 /TaN(TaN/A/Z/A/TaN) MIM 커패시터를 조사합니다. MWA를 사용하면 ZrO2의 유전율 현저하게 향상되고 누설 전류 밀도가 약간 증가합니다. 또한 기본 전도 메커니즘도 연구됩니다.
첫째, 500nm 두께의 SiO2 막은 PECVD에 의해 Si 기판 위에 성장한 다음 TaN(20 nm)/Ta(100 nm) 막을 증착하고 TaN은 N2에서 Ta 타겟을 스퍼터링하여 성장했습니다. /Ar 플라즈마. 이어서, TaN/Ta 필름으로 코팅된 Si 웨이퍼를 ALD 챔버로 옮기고, Al2 O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm)/Al2 O3 (2 nm)은 250 °C에서 증착되었습니다. 알2 O3 및 ZrO2 필름은 Al(CH3 )3 /H2 O 및 [(CH3 )2 N]4 Zr/H2 오, 각각. 초박형 Al2 O3 하단 TaN 전극과 ZrO2 사이의 층 ALD 및 증착 후 어닐링 동안 계면층의 형성을 억제하기 위해 층이 삽입되었습니다. 그 후, 샘플을 마이크로웨이브 어닐링 처리하였다. MWA는 5.8 GHz의 DSGI 팔각형 챔버에서 수행되었습니다. 어닐링 동안 샘플은 전자기장이 가장 균일한 챔버 중앙에 배치되었습니다. 샘플의 제자리 온도는 샘플의 뒷면을 향한 Raytek XR 시리즈 적외선 고온계로 모니터링했습니다. 전력은 5분의 고정 어닐링 시간으로 700 W에서 1400 W까지 다양했습니다. 마지막으로 반응성 스퍼터, 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 통해 100nm 두께의 TaN 상부 전극을 차례로 형성했습니다.
ALD 막 두께는 엘립소미터(SOPRA GES 5E)로 측정하고 투과전자현미경(TEM)으로 확인하였다. 커패시턴스-전압(C-V )은 50 mV AC 진폭의 정밀 임피던스 분석기(Agilent 4294A)로 측정되었습니다. 전류-전압(I-V ) 측정은 어두운 상자에서 반도체 소자 분석기(Agilent B1500)로 수행되었습니다. 바이어스는 상부 전극에 적용되었습니다.
A/Z/A 기반 MIM 커패시터와 MWA 챔버의 개략적인 구조는 각각 그림 1a와 b에 나와 있습니다. 그림 1c는 1400 W에서 5분 동안 MWA를 받는 A/Z/A 기반 MIM 커패시터의 단면 TEM 이미지를 보여줍니다. ZrO2 층이 완전히 결정화되고 적층된 층이 명확하게 구별될 수 있습니다(삽입 참조). 그림 2a는 다양한 어닐링 전력에서 커패시턴스 밀도의 누적 확률 플롯을 보여줍니다. 결과는 MIM 커패시터의 커패시턴스 밀도가 7.34, 8.87, 8.96 및 9.06 fF/μm 2 임을 보여줍니다. 50% 누적 확률에서 0, 700, 1050 및 1400 W에 대해 각각. 따라서 마이크로파의 영향으로 커패시턴스 밀도가 증가합니다. MWA가 있는 A/Z/A 스택 MIM 커패시터에 대한 커패시턴스 밀도의 매우 좁은 분포는 매우 우수한 어닐링 균일성을 나타냅니다. 그림 2a의 삽입은 모든 샘플의 일반적인 CV 곡선을 보여줍니다. Al2의 효과 제외 O3 (κ ≈ 8), ZrO2의 유전 상수 0, 700, 1050 및 1400 W에 대해 각각 28.3, 40.1, 41 및 41.9로 필름이 추출되었으며, 이는 그림 2b에서 알 수 있습니다. 1400 W의 마이크로파 전력과 관련하여 ZrO2의 유전 상수 증착된 샘플에 비해 필름이 40% 증가합니다. ZrO2의 유전율의 상당한 향상 그림 1c와 같이 마이크로파 어닐링 중 고도의 결정화에 기인할 수 있습니다. 위에서 언급했듯이 ZrO2의 유전 상수는 입방체와 정방정계 상으로 결정화되면 각각 36.8과 46.6으로 향상될 수 있다[25]. 따라서 유전 상수 향상의 메커니즘을 추가로 조사하기 위해 XRD 측정을 수행했습니다. 그림 2b의 삽입도에서 볼 수 있듯이 1400 W에서 MWA 처리 후 ~ 30.7°에서 피크가 존재하여 ZrO2에서 정방정상(111)의 출현을 나타냅니다. [32, 33]. 이 정방정상의 존재는 유전 상수가 28.3에서 40 이상으로 향상되는 원인이 됩니다.
<그림>
아 Al2의 개략적인 구조 O3 /ZrO2 /알2 O3 기반 MIM 커패시터. ㄴ MWA 챔버의 개략적인 구조. ㄷ Al2의 TEM 사진 O3 /ZrO2 /알2 O3 5 분 동안 1400 W에서 MWA가 있는 기반 MIM 커패시터
<그림>
아 다른 샘플에 대한 정전 용량 밀도의 누적 확률 플롯; 삽입은 바이어스에 대한 커패시턴스 밀도를 표시합니다. ㄴ ZrO2 유전율의 누적 확률 플롯 다른 샘플의 경우; 삽입된 그림은 증착된 상태 및 1400 W 샘플의 XRD 패턴을 나타냅니다.
MIM 커패시터는 집적 회로의 BEOL(back end of line)에서 제조되기 때문에 공정 온도는 400 °C보다 낮아야 합니다[34]. 그림 3에서 볼 수 있듯이 MWA의 온도 곡선은 기판의 최고 온도가 700, 1050, 1400 W에 대해 각각 260, 350, 400 °C임을 나타냅니다. 따라서 MWA는 프로세스 온도의 관점에서 CMOS 프로세스와 호환됩니다. 또한, 이전 연구[13]에서 Al2 O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm) 기반 MIM 커패시터는 N2에서 10 분 동안 420 °C에서 급속 열 어닐링(RTA)을 받았습니다. /H2 주변 및 ZrO2의 유전 상수 RTA의 경우 어닐링 시간이 420°C에서 10분 동안 일정하게 유지되었으므로 열 예산이 MWA에 비해 훨씬 더 큽니다. MWA[35, 36]의 경우 쌍극자 분극은 분자 수준에서 에너지 전달에 가장 중요한 메커니즘으로 생각됩니다. 접촉하는 물질이 다른 유전 특성을 가질 때 마이크로파는 더 높은 유전 손실 물질과 선택적으로 결합합니다. 대조적으로, 기존의 RTA는 전도성이 높은 재료에 가장 효율적으로 열을 전달합니다.
<그림>
마이크로파 어닐링 동안 다양한 샘플에 대한 기판 온도 곡선
누설 전류는 MIM 커패시터의 또 다른 중요한 매개변수입니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 누설 전류 곡선은 다른 전자 전도 메커니즘을 나타내는 명백한 전환점이 있기 때문에 모든 샘플에 대해 두 부분으로 나눌 수 있습니다. MWA 처리된 샘플은 증착된 샘플에 비해 전환점에 해당하는 전압이 더 작습니다. 표 1에는 모든 샘플에 대한 ± 4 V에서의 누설 전류 밀도가 나와 있습니다. 예를 들어 4 V를 취하면 누설 전류 밀도가 1.06 × 10 −7 에서 증가합니다. ~ 1.92 × 10 −5 A/cm 2 즉, 마이크로파 전력이 0에서 1400 W로 증가할 때 2차 진폭이 향상됩니다. ZrO2의 높은 결정화로 인해 막에서 많은 수의 결정립계가 나타나고 누설 경로로 작용하여 높은 전기장에서 전자 전도를 향상시킵니다. 그러나 2 V의 작동 전압을 고려하면 누설 전류 밀도는 1.23 × 10 −8 입니다. 및 1.36 × 10 −8 A/cm 2 증착된 샘플 및 1400 W 샘플에 대해 각각. 분명히, 마이크로파 어닐링은 낮은 전기장에서 누설 성능에 거의 영향을 미치지 않습니다. 또한, 항복 전압은 I -V 테스트하고 그림 4b에 표시했습니다. 증착된 샘플의 경우, 항복 전압은 50% 누적 확률에서 약 9.8 V입니다. MWA를 적용하면 항복 전압이 ~ 9 V로 감소합니다. 항복 전압의 감소는 ZrO2의 변화와 관련될 수 있습니다. 미세구조.
<그림>
아 누설 전류 밀도의 플롯(J ) 대 편견 및 b 다양한 샘플에 대한 항복 전압의 누적 확률 플롯
누설 전류에 대한 MWA의 영향을 더 이해하기 위해 MIM 커패시터의 전도 메커니즘을 조사합니다. Al2에 대한 이전 연구 기반 O3 (2 nm)/ZrO2 (20 nm) 기반 MIM 커패시터[13, 14]는 고전계에서 지배적인 전도 메커니즘을 필드 보조 터널링(FAT)으로 확인했습니다. 트랩 관련 터널링인 FAT의 경우 전자가 먼저 절연체의 트랩에 포착된 다음 절연체의 전도대로 직접 터널링됩니다[37]. 현재 작업에서 Al2 O3 및 ZrO2 A/Z/A 기반 MIM 커패시터의 필름은 동일한 조건으로 증착되었으므로 누설 전류는 FAT에서도 지배적일 수 있습니다. FAT 모델은 다음과 같이 표현할 수 있습니다. (1) [37]
$$ J={AE}^2\exp \left(-\frac{8\pi \sqrt{2{m}^{\ast }q{\varphi}_t^3}}{3 hE}\right) $$ (1)여기서 A 상수, E 전기장, q 전자 요금, m *는 유효 전자 질량을 나타냅니다(약 0.25 m) 0 , 여기서 m 0 자유 전자 질량), k 볼츠만 상수, φ 그 전도대에서 트랩을 분리하는 에너지 장벽, 그리고 h 는 플랑크 상수입니다.
적층된 유전체는 유전율과 두께가 다르기 때문에 각 층에 인가되는 전기장이 서로 다르다. 따라서 전체 스택에 걸쳐 평균 전기장을 사용하면 전도 메커니즘을 논의하는 동안 심각한 오류가 발생합니다. 결과적으로 ZrO2 양단의 전기장은 레이어를 정확하게 추출해야 합니다. ZrO2에 걸친 전기장 3.125 × 10 7 입니다. × V 스택 , 2.5 × 10 7 × V 스택 , 2.47 × 10 7 × V 스택 및 2.44 × 10 7 × V 스택 가우스 법칙 및 키르히호프 전압 법칙에 따라 증착된 상태의 700 W, 1050 W 및 1400 W 샘플에 대해 각각 [38, 39]:
$$ \left\{\begin{array}{c}{k}_A{E}_A={\kappa}_Z{E}_Z\\ {}{d}_A{E}_A+{d}_Z{E }_Z={V}_{스택}\end{배열}\right. $$ (2)여기서 k A 및 κ Z Al2의 유전 상수를 나타냅니다. O3 및 ZrO2 , 각각; 이 A 및 E Z Al2 양단의 전기장을 나타냅니다. O3 및 ZrO2 , 각각; d A 그리고 d Z Al2의 두께와 동일 O3 및 ZrO2 , 각각; 및 V 스택 스택에 적용되는 전압입니다. 따라서 Ln(J /이 Z 2 ) 대 1/E Z 전자 하부 주입(그림 5a 참조) 또는 전자 상부 주입(그림 5b 참조)에서 각 샘플에 대해 하이 필드 영역에서 직선 피팅이 달성된 그림 5에 임의로 플로팅되었습니다. 이것은 FAT 메커니즘이 높은 전기장에서 지배적임을 의미합니다. 추출된 φ t 전자 바닥 주입에서 증착된 상태, 700 W, 1050 W 및 1400 W 샘플에 대해 각각 0.73, 0.51, 0.38 및 0.35 eV입니다. 전자 상부 주입 측면에서 해당 φ t 는 각각 0.82, 0.53, 0.47 및 0.43 eV입니다. 따라서 일부 얕은 트랩은 MWA에 의해 유도됩니다. 얕은 트랩은 전도대 근처에 추가 전자 상태를 도입할 수 있는 입자 경계 결함으로 인해 발생하는 것으로 보고되었습니다[40]. 또한, 낮은 필드에서의 전도 메커니즘은 TAT(Trap-Assisted Tunneling)일 가능성이 가장 높습니다.
<사진>
Ln(J /이 2 ) 대 1/E 다른 샘플에 대해. 아 전자 바닥 주입 및 b 전자 상부 주입
원자층 증착 Al2 O3 /ZrO2 /알2 O3 나노 스택은 MIM 커패시터의 절연체로 사용됩니다. 5 분 동안 1400 W에서 MWA의 효과로 정전 용량 밀도는 9.06 fF/μm 2 으로 증가합니다. , 약 23.4%의 커패시턴스가 향상되었습니다. Al2의 영향 분리 O3 , 유전 상수는 1400 W 샘플에 대해 41.9로 추론됩니다(유전율의 ~ 40% 증가). 유전율의 이러한 향상은 ZrO2의 높은 결정화에서 비롯됩니다. 영화. 또한 기판 온도가 400 °C 미만이므로 MWA가 BEOL 공정과 호환될 수 있습니다. 이 낮은 기판 온도는 MWA 재료에 대한 선택적 가열에 기인할 수 있습니다. 작동 전압이 2 V일 때 누설 전류 밀도는 1.23 × 10 −8 입니다. 및 1.36 × 10 −8 A/cm 2 증착된 샘플 및 1400 W 샘플에 대해 각각. 높은 전기장에서 지배적인 전도 메커니즘은 FAT 프로세스로 확인됩니다. 낮은 전기장의 누설 전류는 TAT에 의해 결정될 가능성이 있습니다. 위의 사실을 바탕으로 마이크로파 어닐링은 MIM 커패시터의 유전체 성능을 향상시키기 위해 CMOS 공정에서 사용되는 유망한 기술입니다.
알2 O3 /ZrO2 /알2 O3
원자층 증착
줄 끝
커패시턴스-전압
동적 랜덤 액세스 메모리
현장 지원 터널링
반도체를 위한 국제 기술 로드맵
전류-전압
금속 절연체 금속
마이크로파 어닐링
플라즈마 강화 화학 증착
무선 주파수
급속 열처리
트랩 지원 터널링
투과전자현미경
나노물질
초록 마찰전기 효과에 기반한 에너지 수확 장치는 다양한 웨어러블 응용 분야에서 활용되고 있는 다른 나노발전기에 비해 높은 출력 성능으로 인해 큰 주목을 받았습니다. 작동 메커니즘에 따라 마찰 전기 성능은 주로 마찰 전기 재료의 표면 전하 밀도에 비례합니다. 마찰전기 재료의 표면 기능기 및 유전체 조성의 수정과 같은 다양한 접근 방식이 표면 전하 밀도를 향상시키기 위해 사용되어 마찰전기 성능을 향상시킵니다. 특히, 마찰전기 물질의 유전 특성을 조정하면 표면 전하가 마찰전기 물질의 비유전율에 비례하기 때문에 표면 전하 밀도를 크게 증
초록 ZrO2가 포함된 고이동성 Ge nMOSFET 게이트 유전체는 오존(O3 ) 치료, O3 치료 후 O3 없이 치료. O3 처리, ZrO2가 있는 Ge nMOSFET EOT가 0.83nm인 유전체는 피크 유효 전자 이동도(μ)를 얻습니다. 에프 )/682cm2 /Vs, 중간 반전 전하 밀도(Q 인보이스 ). 한편, O3 Al2로 후처리 O3 계면 층은 극적으로 향상된 μ를 제공할 수 있습니다. 에프 , 약 50% μ 달성 에프 중간 Q에서 Si 범용 이동성과 비교하여 개선 인보이스 5 × 1012 cm−2 . 이 결과는 ZrO
