SrHfON高k柵介質(zhì)薄膜的漏電特性研究
采用射頻反應(yīng)磁控濺射法在p- Si( 100) 襯底上成功制備出SrHfON 高k 柵介質(zhì)薄膜，并研究了Au/ SrHfON/ Si MOS電容的漏電流機(jī)制及應(yīng)力感應(yīng)漏電流( SILC) 效應(yīng)。結(jié)果表明，MOS 電容的漏電流密度隨N2 流量的增加而減小。在正柵壓下,漏電流主要由Schottky 發(fā)射機(jī)制引起；在負(fù)柵壓下，漏電流機(jī)制在低、中、高柵電場區(qū)時分別為Schottky 發(fā)射、F-P 發(fā)射和F-N 隧穿機(jī)制。同時，Au/ SrHfON/ SiMOS 電容表現(xiàn)出明顯的SILC 效應(yīng)，經(jīng)恒壓應(yīng)力后薄膜在正柵壓下的漏電流由Schottky 發(fā)射和F-P發(fā)射機(jī)制共同作用，且后者占主導(dǎo)地位。
Int℃l 公司創(chuàng)始人之一Gordon Moor℃在1965 年提出著名的摩爾定律：集成電路每隔3 年集成度增加4 倍，特征尺度縮小2/ 2。集成電路產(chǎn)業(yè)一直遵循該定律所預(yù)言的速度持續(xù)發(fā)展，器件尺寸不斷縮小。由2008 年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS ) 可知，目前和下一代MOSF℃T 柵氧化層的厚度都要求在1nm 以下。隨著MOSF℃T 特征尺寸的不斷減小，當(dāng)傳統(tǒng)柵介質(zhì)SiO2 尺寸減小到納米量級時，通過SiO2 的漏電流呈指數(shù)增長，嚴(yán)重影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。因此，人們提出了高介電常數(shù)( 高k )柵介質(zhì)材料，其中HfO2 由于具有高的介電常數(shù)( 20~ 25) 、大的禁帶寬度( 5.6 EV) 、與硅表面良好的穩(wěn)定性，而成為很有希望替代SiO2 的柵介質(zhì)材料之一。然而，HfO2 晶化溫度相對較低( 300~ 500 ℃ ) ,在高溫退火工藝中易晶化。為改善其特性，研究人員在HfO2 中摻入N、Sr、Si 等元素，形成了新型的Hf基高k 材料。SrHfO3 薄膜具有較高的介電常數(shù)( 約35) 、漏電流密度較小，但是其晶化溫度依然較低( 約800 ℃ )。
所以，本文在SrHfO3 薄膜中引入N 元素制備出SrHfON 薄膜，研究表明其晶化溫度可達(dá)900 ℃ ，熱穩(wěn)定性比SrHfO3 薄膜得到提高。采用高k 材料雖然可以有效地減小直接隧穿電流，但由于柵介質(zhì)層質(zhì)量不高，界面態(tài)和氧化物陷阱密度較大，使得多種柵漏電流并存，所以有必要對材料的漏電流機(jī)制進(jìn)行研究，以便針對性地優(yōu)化工藝參數(shù)。與此同時，明確柵介質(zhì)的漏電流機(jī)制也有利于探究柵介質(zhì)的材料特性、界面特性及可靠性等問題。因此，近年來多種高k 材料( 如Al2O3，HfO2等) 的漏電流機(jī)制得到了廣泛的研究。目前，對SrHfON 薄膜的研究報道還很少，尤其是還沒有其漏電特性的文獻(xiàn)報道。本文旨在探究摻雜元素N 含量及應(yīng)力對SrHfON 薄膜漏電流的影響。
相比等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法、原子層沉積(ALD) 法、分子束外延(MBE) 法、電子束蒸發(fā)(EBE) 法等制備高k 薄膜的方法，本文采用的磁控濺射法具有適于大面積沉積膜，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作，便于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本文研究思路如下：首先在Ar/N2 混和氣氛下，以HfO2 及SrO 為靶材，采用射頻反應(yīng)磁控濺射法制備SrHfON 新型高k 柵介質(zhì)薄膜；然后通過測量電流密度) 電場( J-E) 特性曲線，研究了SrHfON柵介質(zhì)的漏電流運(yùn)機(jī)制及應(yīng)力感應(yīng)漏電流(SILC) 效應(yīng)。
結(jié)論
本文采用射頻反應(yīng)磁控濺射法在p-Si (100) 襯底上成功制備了SrHfON高k 柵介質(zhì)薄膜。XPS分析顯示薄膜的組成可表示為Sr3.9-Hf31.6-O44.7-N19.8。當(dāng)N2 流量為12 ml/ min 時制備的Au/ SrHfON/ SiMOS 電容在柵偏壓為+1 V 時的漏電流密度為2.24× 10-6 A/ cm2。MOS 電容的漏電流密度隨N2 流量的增加而減小。對其漏電流機(jī)制的研究表明：在正柵壓下，漏電流主要由Schottky 發(fā)射機(jī)制引起；在負(fù)柵壓下，漏電流機(jī)制在低( 0~ - 0.65 mV/ cm) 、中( 0.65~-1.07 mV/ cm) 、高( 1.07~ - 1.50 mV/ cm) 柵電場區(qū)時分別為Schottky 發(fā)射、F-P 發(fā)射和F-N 隧穿機(jī)制。對SILC 效應(yīng)的研究表明，經(jīng)恒壓應(yīng)力后薄膜在正柵壓下的漏電流機(jī)制由Schottky 發(fā)射和F-P 發(fā)射共同作用，且后者占主導(dǎo)地位。
