Peningkatan Dielektrik Kapasitor MIM Al2O3/ZrO2/Al2O3 Terdeposit Lapisan Atom oleh Microwave Annealing

Hasil dan Diskusi

Struktur skema kapasitor MIM berbasis A/Z/A dan ruang MWA masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1a dan b. Gambar 1c menunjukkan gambar TEM penampang dari kapasitor MIM berbasis A/Z/A yang dikenai MWA pada 1400 W selama 5 mnt. Diamati bahwa ZrO₂ lapisan sepenuhnya mengkristal dan lapisan yang ditumpuk dapat dibedakan dengan jelas, lihat inset. Gambar 2a menunjukkan plot probabilitas kumulatif dari kepadatan kapasitansi pada daya anil yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rapat kapasitansi kapasitor MIM adalah 7,34, 8,87, 8,96, dan 9,06 fF/μm ² masing-masing untuk 0, 700, 1050, dan 1400 W dengan probabilitas kumulatif 50%. Oleh karena itu, kerapatan kapasitansi meningkat di bawah pengaruh gelombang mikro. Distribusi kepadatan kapasitansi yang sangat sempit untuk kapasitor MIM tumpukan A/Z/A dengan MWA menunjukkan keseragaman anil yang sangat baik. Inset pada Gambar. 2a menunjukkan kurva CV khas dari semua sampel. Tidak termasuk efek Al₂ O₃ (κ ≈ 8), konstanta dielektrik ZrO₂ film diekstraksi sebagai 28.3, 40.1, 41, dan 41.9 untuk 0, 700, 1050, dan 1400 W, masing-masing, diungkapkan oleh Gambar. 2b. Mengenai daya gelombang mikro 1400 W, konstanta dielektrik ZrO₂ film meningkat sebesar 40% dibandingkan dengan sampel yang diendapkan. Peningkatan yang signifikan dari permitivitas ZrO₂ dapat dianggap berasal dari kristalisasi tingkat tinggi selama anil gelombang mikro, yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Seperti disebutkan di atas, konstanta dielektrik ZrO₂ dapat ditingkatkan menjadi 36,8 dan 46,6 ketika dikristalisasi menjadi fase kubik dan tetragonal, masing-masing [25]. Oleh karena itu, pengukuran XRD dilakukan untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme peningkatan konstanta dielektrik. Seperti yang ditunjukkan pada awal Gambar 2b, puncak muncul pada ~ 30,7° setelah pemrosesan MWA pada 1400 W, yang menunjukkan munculnya fase tetragonal (111) di ZrO₂ [32, 33]. Kehadiran fase tetragonal ini bertanggung jawab atas peningkatan konstanta dielektrik dari 28,3 menjadi lebih dari 40.

a Struktur skema Al₂ O₃ /ZrO₂ /Al₂ O₃ - kapasitor MIM berbasis. b Struktur skema ruang MWA. c Gambar TEM Al₂ O₃ /ZrO₂ /Al₂ O₃ -kapasitor MIM berbasis dengan MWA pada 1400 W selama 5 mnt

a Plot probabilitas kumulatif kepadatan kapasitansi untuk sampel yang berbeda; inset menampilkan kerapatan kapasitansi terhadap bias. b Plot probabilitas kumulatif dari permitivitas ZrO₂ untuk sampel yang berbeda; inset menunjukkan pola XRD dari sampel yang diendapkan dan 1400 W

Karena kapasitor MIM dibuat di back end of line (BEOL) sirkuit terpadu, suhu proses harus lebih rendah dari 400 °C [34]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, kurva suhu MWA menunjukkan bahwa suhu tertinggi substrat adalah 260, 350, dan 400 °C untuk 700, 1050, dan 1400 W, masing-masing. Oleh karena itu, MWA kompatibel dengan proses CMOS dari sudut pandang suhu proses. Selanjutnya pada karya sebelumnya [13], Al₂ O₃ (2 nm)/ZrO₂ Kapasitor MIM berbasis (20 nm) mengalami anil termal cepat (RTA) pada 420 °C selama 10  menit dalam N₂ /H₂ ambient dan konstanta dielektrik ZrO₂ . yang dihasilkan dievaluasi sebagai 40. Untuk RTA, waktu anil dijaga konstan pada 420 °C selama 10  menit, sehingga anggaran termal jauh lebih besar dibandingkan dengan MWA. Untuk MWA [35, 36], polarisasi dipol dianggap sebagai mekanisme yang paling penting untuk transfer energi pada tingkat molekuler. Ketika bahan yang bersentuhan memiliki sifat dielektrik yang berbeda, gelombang mikro secara selektif akan berpasangan dengan bahan yang kehilangan dielektriknya lebih tinggi. Sebaliknya, RTA konvensional mentransfer panas paling efisien ke material dengan konduktivitas tinggi.

Kurva suhu substrat untuk sampel yang berbeda selama anil gelombang mikro

Arus bocor adalah parameter penting lainnya untuk kapasitor MIM. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4a, kurva arus bocor dapat dibagi menjadi dua bagian untuk semua sampel karena ada titik balik yang jelas, yang menunjukkan mekanisme konduksi elektron yang berbeda. Sedangkan untuk sampel dengan pemrosesan MWA, tegangan yang sesuai dengan titik balik lebih kecil dibandingkan dengan sampel yang diendapkan. Tabel 1 mencantumkan kerapatan arus bocor pada ± 4 V untuk semua sampel. Ambil 4 V misalnya, kerapatan arus bocor meningkat dari 1,06 × 10 ⁻⁷ hingga 1,92 × 10 ⁻⁵ A/cm ² , yaitu, dua orde amplitudo ditingkatkan ketika daya gelombang mikro ditambah dari 0 hingga 1400 W. Karena kristalisasi ZrO₂ yang tinggi film, sejumlah besar batas butir akan muncul dan berfungsi sebagai jalur bocor, sehingga meningkatkan konduksi elektron di bawah medan listrik yang tinggi. Namun, mengingat tegangan kerja 2 V, rapat arus bocor adalah 1,23 × 10 ⁻⁸ dan 1,36 × 10 ⁻⁸ A/cm ² untuk sampel yang diendapkan dan sampel 1400 W, masing-masing. Jelas, anil gelombang mikro memiliki sedikit efek pada kinerja kebocoran di bawah medan listrik yang rendah. Selanjutnya, tegangan tembus diekstraksi dari I -V uji dan diplot pada Gambar. 4b. Untuk sampel yang diendapkan, tegangan tembus sekitar 9,8 V dengan probabilitas kumulatif 50%. Dengan penerapan MWA, tegangan tembus diturunkan menjadi ~ 9 V. Pengurangan tegangan tembus ini dapat dikaitkan dengan perubahan ZrO₂ struktur mikro.

a Plot kerapatan arus bocor (J ) vs bias dan b plot probabilitas kumulatif dari tegangan tembus untuk sampel yang berbeda

Untuk lebih memahami efek MWA pada arus bocor, mekanisme konduksi kapasitor MIM diselidiki. Berdasarkan penelitian sebelumnya pada Al₂ O₃ (2 nm)/ZrO₂ (20 nm) berbasis MIM kapasitor [13, 14], mekanisme konduksi dominan dalam medan listrik tinggi dikonfirmasi sebagai tunneling berbantuan lapangan (FAT). Untuk FAT yang merupakan trap-related tunneling, elektron ditangkap oleh traps di dalam isolator terlebih dahulu dan kemudian disalurkan ke pita konduksi isolator secara langsung [37]. Dalam pekerjaan saat ini, Al₂ O₃ dan ZrO₂ film dalam kapasitor MIM berbasis A/Z/A disimpan dengan kondisi yang sama, sehingga arus bocor mungkin juga didominasi oleh FAT. Model FAT dapat dinyatakan dengan Persamaan. (1) [37]

dimana A adalah konstanta, E adalah medan listrik, q adalah muatan elektronik, m * mewakili massa elektron efektif (sekitar 0,25 m ₀ , di mana m ₀ adalah massa elektron bebas), k adalah konstanta Boltzmann, φ _t adalah penghalang energi yang memisahkan perangkap dari pita konduksi, dan h adalah konstanta Planck.

Dalam hal dielektrik bertumpuk, medan listrik yang diterapkan pada setiap lapisan berbeda satu sama lain karena permitivitas dan ketebalan yang berbeda. Oleh karena itu, menggunakan medan listrik rata-rata di seluruh tumpukan akan menyebabkan kesalahan parah saat membahas mekanisme konduksi. Akibatnya, medan listrik melintasi ZrO₂ lapisan harus diekstraksi secara akurat. Medan listrik melintasi ZrO₂ adalah 3,125 × 10 ⁷ × V _tumpukan , 2.5 × 10 ⁷ × V _tumpukan , 2.47 × 10 ⁷ × V _tumpukan , dan 2,44 × 10 ⁷ × V _tumpukan masing-masing untuk sampel as-deposited, 700 W, 1050 W, dan 1400 W menurut hukum Gauss dan hukum tegangan Kirchhoff [38, 39]:

dimana k _A dan κ _Z mewakili konstanta dielektrik Al₂ O₃ dan ZrO₂ , masing-masing; E _A dan E _Z menunjukkan medan listrik di Al₂ O₃ dan ZrO₂ , masing-masing; d _A dan d _Z sama dengan ketebalan Al₂ O₃ dan ZrO₂ , masing-masing; dan V _tumpukan adalah tegangan yang diterapkan ke tumpukan. Oleh karena itu, Ln (J /E _Z ² ) versus 1/E _Z secara sewenang-wenang diplot pada Gambar. 5, di mana pemasangan garis lurus dicapai di daerah medan tinggi untuk setiap sampel di bawah injeksi elektron bawah (lihat Gambar 5a) atau injeksi atas elektron (lihat Gambar 5b). Artinya mekanisme FAT didominasi pada medan listrik yang tinggi. φ . yang diekstraksi _t adalah 0,73, 0,51, 0,38, dan 0,35 eV masing-masing untuk sampel as-deposit, 700 W, 1050 W, dan 1400 W di bawah injeksi elektron bawah. Dalam hal injeksi elektron teratas, yang sesuai φ _t adalah 0,82, 0,53, 0,47, dan 0,43 eV, masing-masing. Oleh karena itu, beberapa perangkap dangkal diinduksi oleh MWA. Perangkap dangkal dilaporkan muncul dari cacat batas butir yang dapat memperkenalkan keadaan elektronik tambahan di dekat pita konduksi [40]. Selain itu, mekanisme konduksi pada medan rendah kemungkinan besar adalah trap-assisted tunneling (TAT).

Plot Ln (J /E ² ) vs 1/E untuk sampel yang berbeda. a Injeksi bawah elektron dan b injeksi elektron atas