Микроволновое отжиг улучшает диэлектрические свойства MIM-конденсаторов Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

Аннотация

Металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы критичны для ВЧ, DRAM и смешанно-сигнальных ИС, где требуется растущая плотность емкости при уменьшении размеров. В этом исследовании микроволновое отжиг (MWA) применяется для улучшения диэлектрических свойств MIM-конденсаторов Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ (A/Z/A). 5-минутное MWA при 1400 Вт повышает диэлектрическую проницаемость ZrO₂ до 41,9 — на 40% выше — при температуре подложки ниже 400 °C, совместимой с BEOL-процессами. Токи утечки остаются сравнимыми (1,23×10⁻⁸ против 1,36×10⁻⁸ А/см²), механизм проводимости — полево-усиленное туннелирование.

Введение

MIM-конденсаторы — ключевые компоненты ВЧ, DRAM, аналоговых/смешанно-сигнальных ИС. Масштабирование требует высокую плотность емкости (ITRS 2020: >10 фФ/мкм²). Высокок диэлектрики (HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, TiO₂) широко изучаются. ZrO₂ с моноклиническим κ=16–25 и запрещенной зоной 5,8 эВ при кристаллизации в кубическую/тетрагональную фазы достигает κ≈37–47, предлагая путь к высшей плотности емкости. MWA эффективно для активации легирующих и силицидов в кремнии, давая более низкие температуры, чем традиционное термическое отжиг. Недавние работы показывают улучшение параметров MOS-конденсаторов (EOT, плотность интерфейсных состояний, утечка) за счет селективного нагрева высокодиэлектрических материалов. Здесь изучено влияние MWA на TaN/Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃/TaN (TaN/A/Z/A/TaN) MIM-конденсаторы. MWA значительно повышает κ ZrO₂ и незначительно увеличивает утечку, механизм проводимости детально изучен.

Методы

На Si выросло 500 нм SiO₂ (PECVD), затем спуттеринг 20 нм TaN и 100 нм Ta. В камере АЛД осажден стек 2 нм Al₂O₃ / 20 нм ZrO₂ / 2 нм Al₂O₃ при 250 °C из предшественников Al(CH₃)₃/H₂O и [(CH₃)₂N]₄Zr/H₂O. Ультратонкий Al₂O₃ под ZrO₂ подавил рост интерфейсного слоя. MWA в октагональной камере DSGI при 5,8 ГГц. Образцы в центре однородного поля, температура мониторилась Raytek XR пирометром. Мощности 700–1400 Вт, длительность 5 мин. Верхний электрод 100 нм TaN — реактивный спуттеринг, литография, РИБ. Толщины эллипсометрией (SOPRA GES 5E) и TEM. C-V: Agilent 4294A (50 мВ переменка). I-V: Agilent B1500 в темном ящике, смещение на верхний электрод.

Результаты и обсуждение

Структура A/Z/A MIM и камера MWA (рис. 1а, б). TEM поперечного сечения при 1400 Вт 5 мин (рис. 1в) показывает полностью кристаллизованный ZrO₂ и четкие слои. Рис. 2а: кумулятивная вероятность плотности емкости для четырех мощностей. При 50% вероятности: 7,34; 8,87; 8,96; 9,06 фФ/мкм² для 0, 700, 1050, 1400 Вт. Узкое распределение — отличная однородность отжига. Вставка: типичные C-V кривые. Исключая вклад Al₂O₃ (κ≈8), извлеченные κ ZrO₂: 28,3; 40,1; 41,0; 41,9. Рост 40% при 1400 Вт за счет высокой степени кристаллизации. XRD (вставка рис. 2б): тетрагональный пик (111) ~30,7°, подтверждает переход в тетрагональную фазу (κ до 46,6). Совместимость с BEOL критична. Температурные кривые (рис. 3): пиковые температуры подложки 260, 350, 400 °C для 700, 1050, 1400 Вт — ниже лимита BEOL 400 °C. По сравнению с 10-мин RTA при 420 °C (κ≈40), MWA дает значительно ниже тепловой бюджет и селективный нагрев высокопотерянных материалов.

Характеристики утечки (рис. 4а): двухрегионное поведение для всех образцов, указывающее на разные механизмы. Плотность утечки при ±4 В растет с 1,06×10⁻⁷ до 1,92×10⁻⁵ А/см² (два порядка) из-за пограничных путей утечки. Но при рабочих 2 В утечки остаются низкими (1,23×10⁻⁸ против 1,36×10⁻⁸ А/см²). Пробивное напряжение слегка падает с 9,8 до ~9 В, вероятно, из-за микроструктурных изменений. Механизмы проводимости: аппроксимация высокопольных J-E данными модели полево-усиленного туннелирования (FAT). Точные поля в ZrO₂ из законов Гаусса и Кирхгофа. Линейные фиты ln(J/E_Z²) vs 1/E_Z (рис. 5) подтверждают доминирование FAT при высоких полях. Извлеченные барьеры ловушек (φ_t) снижаются с 0,73 эВ (as-deposited) до 0,35 эВ (1400 Вт) для нижнего инжектирования, указывая на введение мелких ловушек, связанных с границами зерен. При низких полях преобладает ловушко-усиленное туннелирование (TAT).

Заключение

ALD-наноструктурные MIM-конденсаторы Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ показывают значительное диэлектрическое улучшение после MWA 1400 Вт 5 мин. Плотность емкости растет до 9,06 фФ/мкм² (прирост 23,4%), κ ZrO₂ достигает 41,9 (~40% рост) благодаря высокой кристаллизации в тетрагональную фазу. Процесс полностью BEOL-совместим (температура <400 °C). Токи утечки при 2 В практически неизменны, доминирующий высокопольный механизм — FAT, низкопольный — TAT. MWA представляет перспективную низкотемпературную технику для улучшения MIM-конденсаторов в CMOS-интеграции.

Аббревиатуры

A/Z/A:

Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

ALD:

Атомно-слоистое осаждение

BEOL:

Задняя часть линии (back end of line)

C-V:

Емкость-напряжение

DRAM:

Динамическая ОЗУ

FAT:

Полево-усиленное туннелирование

ITRS:

Международная дорожная карта полупроводников

I-V:

Ток-напряжение

MIM:

Металл-диэлектрик-металл

MWA:

Микроволновое отжиг

PECVD:

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

RF:

Радиочастота

RTA:

Быстрое термическое отжиг

TAT:

Ловушко-усиленное туннелирование

TEM:

Передаточный электронный микроскоп