Evolusi Bergantung pada Suhu Antarmuka HfO2/Si: Mekanisme Kristalisasi dan Kondisi Analing Optimal
Abstrak
Studi ini menguji bagaimana suhu annealing pasca mempengaruhi kristalisasi film tipis hafnium oksida (HfO2) yang ditanam pada Si tipe-p oleh depozi lapisan atom plasma jauh (RP-ALD) pada 250 °C, diikuti oleh annealing termal cepat (RTA) dalam nitrogen. Mikroskopi transmisi elektron emisi bidang, XPS, diffraksi sinar-X insiden rendah, dan mikroskopi gaya atom mengungkapkan bahwa oksigen difusi dari HfO2 menuju antarmuka Si selama annealing. Di bawah 400 °C film dan lapisan antarmuka tetap amorf, terdiri dari HfO2 dan SiO2. Antara 450–550 °C film menjadi poli kristal multi-fase dan lapisan SiO2 kristal terbentuk di antarmuka. Di atas 550 °C film mengadopsi satu fase kristal ortorombik sementara lapisan antarmuka sepenuhnya berkonversi menjadi SiO2 kristal.
Pendahuluan
Film tipis hafnium oksida (HfO2) dihargai karena kepadatan tinggi, indeks bias yang luas, bandgap yang luas, dan stabilitas termal, menjadikannya cocok untuk lapisan optik berlapis, lapisan pelindung, dielektrik gerbang, dan lapisan passivasi. Teknik depozi konvensi—termasuk evaporasi sinar elektron, depozi larutan kimia, sputtering reaktif, MOCVD, MBE, dan ALD—setiap menawarkan trade-off dalam kontrol ketebalan dan keseragaman. Depozi lapisan atom, khususnya RP-ALD, menawarkan presisi ketebalan skala atom dan keseragaman yang luar biasa, namun propertinya sangat sensitif terhadap annealing pasca-depozi. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa film HfO2 kristal di atas 500 °C, dengan fase kristal secara langsung mempengaruhi parameter optik dan listrik: indeks bias berubah dari 1,7 ke 2,09, jarak optik dari 5,75 ke 6,13 eV, dan konstanta dielektrik dari 24,5 ke 14,49. Untuk film yang ditanam pada silicon, lapisan antarmuka SiO2 biasanya terbentuk, yang dapat mengurangi konstanta dielektrik efektif. Meskipun perilaku kristalisasi film itu sendiri telah diteliti, evolusi antarmuka HfO2/Si di bawah berbagai suhu annealing masih kurang dieksplorasi. Penelitian ini mengatasi kesenjangan tersebut dengan secara sistematis memvariasi suhu annealing dan mengkarakterisasi struktur film dan antarmuka.
Metode
Kami menggunakan wafer Si p-tipe Czochralski 2 inci, tebal 250 µm, dilapis dua sisi (resistivitas 30 Ω cm). Wafer dibersihkan dengan proses RCA standar diikuti rendaman 2 menit dalam 5 % HF yang dicairkan untuk menghilangkan oksida asli, kemudian dikeringkan dengan N2 murni. Sekitar 15 nm HfO2 (168 siklus ALD) ditanam pada 250 °C melalui RP-ALD (Picosun R-200) menggunakan TEMAH dan plasma O2. Setiap siklus terdiri dari pulsa TEMAH 1,6 s, purge N2 10 s, pulsa plasma O2 10 s, dan purge N2 12 s. Pasca-depozi, sampel di-anneal dalam N2 selama 10 menit pada suhu yang bervariasi dari 400 hingga 600 °C untuk menguji efek kristalisasi. Parameter depozi dan annealing terperinci diringkas dalam Tabel 1. AFM dilakukan dalam mode pengetukan (scan 2 µm × 2 µm, resolusi 256 × 256) untuk menilai morfologi permukaan. GIXRD (Rigaku TTRAXIII, Cu λ = 0,154 nm, 50 kV, 300 mA, sudut insiden 0,5°) menyediakan pola diffraksi pada 2θ = 20–60°. XPS (Thermo Fisher K-alpha, Al Kα, 1486,6 eV) menggunakan spot 100-µm dan sudut pengambilan 45°. Sampel TEM penampang lintang disiapkan oleh lift-out ion fokus (Hitachi NX2000) dan diperiksa dengan HR-TEM emisi bidang (JEM-2100F).
Hasil dan Pembicaraan
Gambar 1 menampilkan citra AFM film HfO2 yang di-anneal pada 400, 500, dan 600 °C. Ketaharan rata-rata akar (RMS) naik dari 0,44 nm (sebelum depozi) menjadi 0,47 nm pada 500 °C, kemudian menjadi 0,69 nm pada 600 °C, mengindikasikan transisi struktural bertahap. Ketaharan rata-rata (Ra) mengikuti tren yang sama.
Citra AFM dari a sebelum depozi, b di-anneal 400 °C, c di-anneal 500 °C, dan d di-anneal 600 °C film HfO2
Gambar 2 menunjukkan spektrum GIXRD dependen suhu. Film sebelum depozi amorf, dan tetap demikian setelah di-anneal pada 400 dan 450 °C. Puncak kristal muncul di atas 500 °C, mengungkapkan bidang monoclinic (–111, 111) dan ortorombic (111). Seiring meningkatnya suhu annealing, fase monoclinic berkurang sementara fase ortorombik mendominasi, dengan puncak (111) bergeser ke d-spacing yang lebih tinggi, yang mencerminkan kontraksi jaring.
Spektrum GIXRD film tipis HfO2 yang di-anneal pada suhu yang berbeda
XPS profil kedalaman mengungkapkan rasio O/Hf menurun dari 1,60 menjadi 1,29 seiring meningkatnya suhu, mengonfirmasi depletasi oksigen dalam film selama annealing nitrogen. Kehilangan oksigen ini mengakibatkan d-spacing yang lebih rendah, seperti yang dicatat dalam data XRD.
Rasio atom oksigen terhadap hafnium untuk film tipis HfO2 yang di-anneal pada suhu yang berbeda
Potongan lintang HR-TEM resolusi tinggi (Gambar 4) mengonfirmasi progresi dari amorf menjadi poli kristal HfO2. Pada 400 °C, film sebagian besar amorf dengan domain kristal nano terisolasi (d ≈ 2,82 Å dan 3,12 Å, yang sesuai dengan bidang monoclinic (111) dan (–111)). Antara 500–550 °C, film menunjukkan campuran fase monoclinic dan ortorombic. Pada 600 °C, fase ortorombic (111) mendominasi sementara fitur monoclinic hilang. Secara bersamaan, lapisan antarmuka SiO2 bertransisi dari amorf menjadi kubik kristal (220), dengan ketebalan meningkat dari 1,0 ke 1,6 nm. Peningkatan d-spacing dari lapisan SiO2 (2,48→2,56 Å) menunjukkan peningkatan inklusi oksigen dari film HfO2.
Citra TEM penampang lintang dari a sebelum depozi, b di-anneal 400 °C, c di-anneal 450 °C, d di-anneal 500 °C, e di-anneal 550 °C, dan f di-anneal 600 °C HfO2/Si
Gambar 5 meringkas evolusi mekanisme. Di bawah 400 °C film amorf dan lapisan antarmuka adalah campuran a-HfO2/a-SiO2. Antara 450–550 °C, film kristal menjadi struktur poli kristal multi-fase sementara lapisan SiO2 kristal terbentuk di antarmuka, didorong oleh difusi oksigen dari HfO2 ke dalam silicon. Di atas 550 °C, film menjadi satu fase kristal ortorombic, dan lapisan antarmuka sepenuhnya kristal. Meskipun annealing meningkatkan properti dielektrik, kristalisasi yang berlebihan dapat menurunkan performa. Konstanta dielektrik mencapai puncak 17,2 saat di-anneal pada 500 °C, menyeimbangkan kemurnian fase dan kualitas antarmuka.
Diagram mekanisme kristalisasi film HfO2 dan lapisan antarmuka di tiga rentang suhu: a sebelum depozi hingga 400 °C, b 450–550 °C, dan c >550 °C. Nilai d-spacing dan orientasi kristal ditunjukkan.
Kesimpulan
Menggunakan RP-ALD diikuti RTA nitrogen, kami secara sistematis memetakan kristalisasi film tipis HfO2 pada Si tipe-p. Film sebelum depozi dan <400 °C di-anneal tetap amorf, sementara lapisan antarmuka adalah campuran a-HfO2/a-SiO2. Peningkatan suhu mengurangi d-spacing ortorombic dan meningkatkan d-spacing SiO2, bukti migrasi oksigen dari HfO2 ke antarmuka. Di atas 550 °C, film menjadi satu fase kristal ortorombic dan antarmuka sepenuhnya SiO2 kristal. Meskipun annealing esensial untuk konstanta dielektrik dan passivasi yang tinggi, kristalisasi berlebihan dapat berdampak buruk. Suhu annealing 500 °C memberikan kompromi terbaik, menghasilkan konstanta dielektrik dan passivasi wafer Si yang optimal.
