高k介質(zhì)中頻率離散的原因

C-V測量是測定MOS器件特性的主要方法，它廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的研究中。C-V測量時常常在SiO2中觀察到有害的頻率離散。用于校正測量誤差數(shù)據(jù)的一些分析公式和模型已得到充分研究。著重于消除串聯(lián)電阻、氧化物漏電、氧化物與半導(dǎo)體間不希望有的損耗介電薄層、多晶硅耗盡層和表面粗糙度等等的影響。減少納米級MOS器件中柵極漏電的迫切需求刺激了用高k電介質(zhì)替代SiON的努力。但是，將高k電介質(zhì)引入生產(chǎn)線將再次引起C-V測量曲線積累區(qū)處的頻率離散。到目前為止，頻率離散的準(zhǔn)確來源仍有待討論。

本文研究了高k電介質(zhì)堆層中頻率離散的原因。特別提出了電介質(zhì)介電常數(shù)（k值）的頻率離散。為了確證單獨k值相關(guān)影響，對高k電介質(zhì)和硅襯底間損耗界面層的影響及串聯(lián)電阻和硅金屬背接觸的重要性也充分地進(jìn)行了討論，并基于雙頻技術(shù)建模。根據(jù)實際測得的LaAlO3/SiO2、ZrO2/SiO2和LaxZr1-xO2/SiO2疊層電容值評估它們k值的頻率相關(guān)性。

器件加工和實驗過程
將高k電介質(zhì)（LaAlO3、ZrO2和LaxZr1-xO2）淀積在n型Si（100）襯底上。高k薄膜和硅襯底間的界面層是～1nm的原始SiO2，由截面透射電子顯微鏡測得（沒有示出）。用1100℃下干法氧化熱生長的SiO2樣品與高k疊層比較。MOS電容用Au柵熱蒸發(fā)制造，有效面積為4.9x10-4cm2。所選Si晶圓的背面接觸用HF緩沖溶液清洗，接著用熱蒸發(fā)方法淀積200nm厚的Al膜以使串聯(lián)電阻影響最小。然后，所有樣品在合成氣體中400℃退火30分鐘，再在1k到1Mz頻率范圍內(nèi)用HP4192阻抗分析儀測量。

實驗結(jié)果和討論
基于高k介質(zhì)的典型C-V結(jié)果分別示于圖1(a)和(b)。不管淀積方法、條件和材料如何，有時仍能得到頻率離散。產(chǎn)生這一問題可能有三個因素：串聯(lián)電阻影響，包括不完美的背接觸；有損耗界面層的影響（～1nm原始SiO2）；k值的頻率相關(guān)影響。在討論k值的頻率相關(guān)影響前，必需充分研究串聯(lián)電阻影響和有損耗界面層的影響。

串聯(lián)電阻影響（通常是由于硅體電阻和不完美的背接觸）的重要性在熱SiO2 MOS電容中得到最好的展示，其中體電介質(zhì)與硅襯底間的損耗界面層的影響是可以忽略的。SiO2中頻率離散只有在襯底有效面積小的樣品中觀察到，如圖2(a)所示。此外，對于沒有Al背接觸的小樣品，盡管測量條件是同一的，測得的結(jié)果也不再重復(fù)，如圖2(b)所示（閉合的符號）。這就破壞了測量方法的可靠性。

為了在任意測量時間和頻率下對SiO2重建測得的C-V曲線，必須考慮可能由背接觸不完美和硅串聯(lián)電阻產(chǎn)生的“寄生”分量。然后對C-V曲線實施校正以得到它們的真實值。圖3(a)是理想情況下的等效電路，可與實際測量模式比較，其中Cox代表SiO2柵介質(zhì)的實際頻率自主電容，Rs含有硅襯底的體電阻及不同接觸電阻產(chǎn)生的量。背接觸不完美也用電容Cp建模。CC、GC、Cm、Gm分別指已校正（沒有“寄生”分量 Rs和Cp的影響）或測得的電容和電導(dǎo)。

測得的電容可按照此模型校正而恢復(fù)，與測量頻率無關(guān)，如圖3(b)所示。串聯(lián)電阻影響則可直接用在襯底背面淀積Al膜減至最?。▓D2(b)中的空心符號和圖3(b)中的實線）。這表明，一旦考慮寄生分量時，有可能決定無誤差的電容真值，保持測量系統(tǒng)的可靠性。

再研究高k MOS電路上損耗界面層的影響。在圖1(b)中，要注意頻率離散不是串聯(lián)電阻影響引起的（因為此樣品采用了有效面積大的襯底和Al背接觸）。圖1(a)中看到的頻率離散缺失則可用高k層和界面層的相對厚度解釋。圖1(a)樣品的界面層厚度（~1nm）與電容等效厚度（CET）～21nm比較可以忽略不計，這種情況下，高k層電容比界面層電容小得多(即Ch<<Ci)。但對于圖1(b)的樣品，盡管有Al背接觸和較大的襯底面積，頻率離散影響仍是很大的。此時Ch與Ci相當(dāng)，將頻率離散影響歸因于界面層電容內(nèi)的損耗（假定原始SiO2為～1nm），其中，缺陷是由界面位錯和ZrO2/SiO2化學(xué)突變界面處鍵合配位中的固有差異引起的。

基于這一解釋，圖4(a)示出了采用雙頻技術(shù)做出的高k堆疊的4-元素電路模型，以便從損耗重建電容值。

圖4(b)是校正后的C-V曲線，在三個完全不同的頻率對上相互非常一致，證明模型在尋找電容真值方面是成功的。這表明，有損耗界面層也會影響高k堆疊中的頻率離散。有損耗界面層對頻率離散的影響也能用較密的SiO2膜（沒有示出）替代原有SiO2或用厚得多的等效高k層（圖1(a)）加以抑制。

最后，考慮串聯(lián)電阻和有損耗界面層二者的影響，評估LaxZr1-xO2介質(zhì)的κ值頻率相關(guān)性。圖5(a)示出LaxZr1-xO2/SiO2堆疊中典型的頻率離散影響，由于大的Al接觸襯底和厚的高κ層，這里的影響現(xiàn)在只與其κ值頻率相關(guān)性有聯(lián)系。LaxZr1-xO2、ZrO2、LaAlO3和熱SiO2介質(zhì)的頻率相關(guān)性也示于圖5(b)以便比較。LaxZr1-xO2介質(zhì)的k 值明顯與頻率(f)有指數(shù)律關(guān)系，稱為Curie-von Schweidler定律 ，(0≤n≤1)，式中指數(shù)(n）的值表明介質(zhì)弛豫程度。當(dāng)La的x組分為0.22和0.63時，n 值分別為0.981和0.985。產(chǎn)生這一結(jié)果可能有二個原因：金屬氧化物中自由La+或Zr+離子的離子運(yùn)動導(dǎo)致介質(zhì)弛豫；自由金屬離子與電子阱復(fù)合產(chǎn)生偶極矩而引起介質(zhì)弛豫。揭示LaxZr1-xO2介質(zhì)弛豫確切的機(jī)理需要做進(jìn)一步的研究。

結(jié)論
頻率離散產(chǎn)生的兩個原因是損耗界面層和串聯(lián)電阻和襯底背接觸不完美，只有在抑制有損耗界面層和串聯(lián)電阻及不完美背接觸的影響后，才能評估k值的頻率相關(guān)性。基于兩個等效電路模型對這些影響進(jìn)行分析和建模。研究每一個影響后，在LaAlO3和ZrO2介質(zhì)中沒有觀察到k值的頻率相關(guān)性。但LaxZr1-xO2介質(zhì)的k值有明顯的指數(shù)律相關(guān)性，可用Curie-von Schweidler定律建模。