Pengeringan Mikrowave Meningkatkan Kinerja Dielektrik Kapasitor MIM Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

Abstrak

Kapasitor logam-insulator-logam (MIM) merupakan komponen kunci dalam IC RF, DRAM, dan mixed-signal, di mana densitas kapasitansi yang semakin tinggi diperlukan seiring mengecilnya ukuran perangkat. Dalam studi ini, pengeringan mikrowave (MWA) digunakan untuk meningkatkan properti dielektrik kapasitor MIM Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ (A/Z/A). Perawatan MWA 1400 W, 5 menit meningkatkan permitivitas ZrO₂ menjadi 41,9—peningkatan 40%—sambil mempertahankan suhu substrat di bawah 400 °C, kompatibel dengan proses back-end-of-line (BEOL). Densitas arus kebocoran tetap dapat dibandingkan (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² untuk as-deposited versus 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻² untuk 1400 W), dan mekanisme konduksi dikonfirmasi sebagai tunneling bantu medan.

Latar Belakang

Kapasitor MIM merupakan komponen penting dalam sirkuit terpadu RF, DRAM, dan analog/mixed-signal. Pengurangan ukuran fitur perangkat menuntut densitas kapasitansi yang lebih tinggi; misalnya, node ITRS 2020 memerlukan >10 fF µm⁻². Dielektrik high-κ seperti HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, dan TiO₂ telah diteliti secara luas. ZrO₂, dengan κ monoklinik 16–25 dan bandgap 5,8 eV, dapat mencapai κ ≈ 37–47 ketika kristal menjadi fase kubik atau tetragonal, menawarkan jalur ke densitas kapasitansi yang unggul. Pengeringan mikrowave telah terbukti efektif untuk aktivasi dopan dan pembentukan silisida dalam silikon, menyediakan suhu proses yang lebih rendah dari perawatan termal konvensional. Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa MWA dapat meningkatkan parameter kunci kapasitor MOS—tebal oksida setara, densitas status antarmuka, dan densitas arus kebocoran—dengan memanaskan secara selektif bahan dengan kehilangan dielektrik tinggi. Di sini kami menyelidiki efek MWA pada kapasitor MIM TaN/Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃/TaN (TaN/A/Z/A/TaN). MWA secara signifikan meningkatkan permitivitas ZrO₂ dan sedikit meningkatkan densitas arus kebocoran, dengan mekanisme konduksi yang di bawahnya dieksplorasi secara detail.

Metode

Lapisan SiO₂ 500 nm ditanam pada Si oleh PECVD, diikuti dengan sputtering 20 nm TaN dan 100 nm Ta. Wafer kemudian dipindahkan ke kamar ALD di mana tumpukan 2 nm Al₂O₃ / 20 nm ZrO₂ / 2 nm Al₂O₃ ditanam pada 250 °C menggunakan prekursor Al(CH₃)₃/H₂O dan [(CH₃)₂N]₄Zr/H₂O. Lapisan antar Al₂O₃ ultra tipis disisipkan di bawah ZrO₂ untuk menekan pertumbuhan lapisan antarmuka. MWA dilakukan dalam kamar oktagonal DSGI pada 5,8 GHz. Sampel ditempatkan di pusat seragam medan, dan suhu in-situ dipantau oleh pirometer inframerah Raytek XR. Daya pengeringan bervariasi dari 700 W hingga 1400 W dengan durasi tetap 5 menit. Akhirnya, elektroda atas TaN 100 nm didefinisikan oleh sputtering reaktif, litografi, dan RIE. Ketebalan film diukur oleh elipsometri (SOPRA GES 5E) dan dikonfirmasi oleh TEM. Karakteristik kapasitansi–tegangan (C–V) diperoleh dengan analis impedansi Agilent 4294A (50 mV AC). Pengukuran arus–tegangan (I–V) dilakukan dengan analis perangkat Agilent B1500 dalam kotak gelap, bias diterapkan pada elektroda atas.

Hasil dan Pembahasan

Struktur kapasitor MIM A/Z/A dan kamar MWA diilustrasikan pada Gambar 1a dan b, masing-masing. Gambar 1c menunjukkan gambar TEM potongan melintang dari kapasitor yang dipanaskan pada 1400 W selama 5 menit, yang mengungkapkan lapisan ZrO₂ yang sepenuhnya kristal dan lapisan tumpukan yang terdefinisi dengan baik. Gambar 2a menyajikan probabilitas kumulatif densitas kapasitansi untuk keempat daya pengeringan. Pada probabilitas 50%, densitas kapasitansi adalah 7,34, 8,87, 8,96, dan 9,06 fF µm⁻² untuk 0, 700, 1050, dan 1400 W, masing-masing. Distribusi yang sempit menunjukkan keseragaman pengeringan yang unggul. Inset menampilkan kurva C–V tipikal untuk setiap sampel. Dengan mengabaikan kontribusi Al₂O₃ (κ ≈ 8), konstanta dielektrik ZrO₂ yang diekstraksi adalah 28,3, 40,1, 41,0, dan 41,9 untuk 0, 700, 1050, dan 1400 W, masing-masing. Peningkatan 40% pada 1400 W disebabkan oleh kristalisasi yang tinggi. Analisis XRD (inset Gambar 2b) menunjukkan puncak tetragonal (111) di sekitar 30,7°, yang mengonfirmasi transisi ke fase tetragonal, yang dikenal menghasilkan nilai κ hingga 46,6. Kompatibilitas proses sangat penting untuk integrasi BEOL. Kurva suhu (Gambar 3) menunjukkan suhu substrat puncak 260, 350, dan 400 °C untuk 700, 1050, dan 1400 W, masing-masing—sangat di bawah batas 400 °C BEOL. Dibandingkan dengan RTA 10 menit pada 420 °C (yang juga menghasilkan κ ≈ 40), MWA menawarkan budget termal yang jauh lebih rendah dan pemanasan selektif bahan dengan kehilangan tinggi. Karakteristik kebocoran (Gambar 4a) menunjukkan perilaku dua wilayah untuk semua sampel, yang menunjukkan mekanisme konduksi yang berbeda. Densitas kebocoran pada ±4 V meningkat dari 1,06 × 10⁻⁷ A cm⁻² (as-deposited) menjadi 1,92 × 10⁻⁵ A cm⁻² (1400 W), peningkatan dua orde magnitudo karena jalur kebocoran yang diinduksikan batas kristal. Namun, pada titik operasi praktis 2 V, densitas kebocoran tetap rendah (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² versus 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻²). Tegangan hancur sedikit menurun dari 9,8 V menjadi sekitar 9 V dengan MWA, kemungkinan mencerminkan perubahan mikrostruktur. Mekanisme konduksi diperiksa dengan memasang data J–E medan tinggi ke model tunneling bantu medan (FAT). Medan listrik yang akurat di seluruh lapisan ZrO₂ diperoleh menggunakan hukum Gauss dan Kirchhoff. Fitting linier dari ln(J/E_Z²) versus 1/E_Z (Gambar 5) mengonfirmasi dominasi FAT pada medan tinggi. Tinggi hambatan jebakan yang diekstraksi (φ_t) menurun dari 0,73 eV (as-deposited) menjadi 0,35 eV (1400 W) untuk injeksi bawah, yang menunjukkan perkenalan jebakan dangkal yang mungkin terkait dengan batas kristal. Pada medan rendah, tunneling bantu jebakan (TAT) adalah mekanisme yang mendominasi.

Kesimpulan

Kapasitor MIM nano-stack Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ yang dibuat oleh ALD menunjukkan peningkatan dielektrik yang signifikan ketika mengalami MWA 1400 W, 5 menit. Densitas kapasitansi naik menjadi 9,06 fF µm⁻² (kenaikan 23,4%), dan konstanta dielektrik ZrO₂ mencapai 41,9—peningkatan sekitar 40%—berkat kristalisasi yang tinggi ke fase tetragonal. Proses ini tetap sepenuhnya kompatibel BEOL dengan suhu substrat di bawah 400 °C. Arus kebocoran pada 2 V hampir tidak berubah, dan konduksi medan tinggi yang mendominasi tetap FAT, sementara transportasi medan rendah mengikuti TAT. MWA oleh karena itu mewakili teknik yang menjanjikan dengan budget termal rendah untuk meningkatkan performa kapasitor MIM dalam integrasi CMOS.

Singkatan

A/Z/A:

Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

ALD:

Atomic layer deposition

BEOL:

Back end of line

C‑V:

Capacitance‑voltage

DRAM:

Dynamic random access memory

FAT:

Field‑assisted tunneling

ITRS:

International Technology Roadmap for Semiconductors

I‑V:

Current‑voltage

MIM:

Metal‑insulator‑metal

MWA:

Microwave annealing

PECVD:

Plasma enhanced chemical vapor deposition

RF:

Radio frequency

RTA:

Rapid thermal annealing

TAT:

Trap‑assisted tunneling

TEM:

Transmission electron microscope