TiO2/SiOxNy/SiO2層疊結構柵介質的電容-電壓特性研究
本文討論了以射頻磁控濺射為主要工藝制備的TiO2/SiOxNy/SiO2 結構高k 柵介質。文中重點討論了不同成分界面SiOxNy 薄膜作用下，柵介質整體電容- 電壓特性的異同，并論述了SiO2 界面層在保證柵介質良好電學性能方面的作用。
為了應對SiO2 柵介質不斷減薄所帶來的漏電和能耗問題，從本世紀開始，尋找介電常數高于SiO2 的高k 柵介質材料成了半導體領域一大研究熱點。但因為硅基底電學兼容性的限制，大部分已報道的高k 材料在綜合電學性能方面都差強人意，部分已見應用的高k 材料多以高成本工藝條件為基礎，或通過犧牲材料本身高介電常數優勢的摻雜改性方法來實現。而像TiO2這類有較高介電常數，且工藝成本較低的材料也因為綜合性能方面的不足無法得到推廣。
本文以層疊結構柵介質為突破口，提出鈦硅基柵介質研究，即利用沉積在TiO2 和硅襯底之間的SiO2 及SiOxNy (SION)層疊結構界面薄膜來改善TiO2 柵介質電學性能，具體結構可以表示為電極/TiO2/SiOxNy/SiO2/Si。文中以電容- 電壓特性為分析重點，為推廣TiO2 薄膜在MOS 柵介質領域的應用奠定基礎。
1、實驗
MOS 薄膜電容制備以電阻率為4 Ωcm~7Ωcm的p 型單晶Si(100)為基底，在自制實驗平臺上進行介質膜的濺射沉積和電極膜的蒸發沉積。本文所述電容包括以下五種結構：Al/TiO2/SiOxNy_1 (富氮)/SiO2/Si(結構A)、Al/TiO2/SiOxNy_2(富氧)/SiO2/Si(結構B)、Al/TiO2/Si(結構C)、Al/TiO2/SiO2/Si(結構D)、Al/TiO2/SiOxNy/Si(結構E)。結構A 和結構B 是本文的研究重點，即富氮SION 薄膜和富氧SION薄膜方案，用于探討界面處不同SION 薄膜成分配比對電容整體性能的影響，后面三種結構則是在前期研究基礎上給出的比較樣本。結構C、D、E 的制備流程與前期研究[10]一致，界面薄膜以硅靶為源進行反應濺射，濺射功率均為500 W，反應氣體流量分別是SiO2：QAr(氬氣)為9.5 sccm，QO(氧氣)為1.0 sccm;SiOxNy：QAr 為9.5 sccm，QO 為1.0 sccm，QN(氮氣)為1.0 sccm。TiO2 采用射頻濺射法沉積，所制得的TiO2 薄膜介電常數大致為50~70。
結構A 和結構B 是在保證SiO2 制備工藝不變的情況下，引入不同成分的SION 界面薄膜。具體實現時，將通過不同的濺射氣體流量配比實現薄膜成分控制。SiOxNy(富氧)膜層將在氧氣流量1.6 sccm、氮氣流量1.0 sccm 的反應氣體組合條件下通過反應濺射制得，綜合前期工作結論和斷面成分分析表明此條件下可將薄膜氧原子比例(O/(O+N))控制在0.85~0.95。SiOxNy(富氮)膜層將在氧氣流量0.4 sccm、氮氣流量1.0 sccm 的反應氣體組合條件下通過反應濺射制得，此條件下可將薄膜氧原子比例控制在0.25~0.35。
為了降低工藝實施過程中外界雜質離子的影響，實驗前對真空系統進行了改裝使得各結構電容可以在保持真空狀態不變的條件下通過原位換靶進行各層介質膜和電極膜的沉積，并在沉積后進行了N2 氣氛退火以修復工藝缺陷。圖1是TiO2/SiOxNy/SiO2 結構的典型TEM 斷面結構圖，顯示了較清晰的分層效果。對柵介質的測試以高頻電容- 電壓特性測試(HP4294A 平臺)為主，以分析其中的介質層界面特性。
圖1 TiO2/SiOxNy/SiO2/Si 結構斷面結構圖
2、C-V 特性討論
對MOS 柵介質電學性能的研究主要通過分析其電容- 電壓(C- V) 特性入手。圖2 是在1MHz 頻率條件下對各結構電容進行測試得到的典型C- V 曲線圖，所示電容值均以相應之積累態電容為基準作了歸一化處理。由于電容基底為p型單晶硅，首先分析由柵介質電荷引起的負柵壓方向C- V 曲線偏移。如圖2 所示，C 結構電容的C- V 曲線偏移量最大，說明對應的柵介質電荷密度最大[5]，結構A、B 和D、E 所對應的柵壓漂移則比較相近。但同時反映出的趨勢是層疊結構對應的偏移量小于單層界面介質對應的偏移量，而界面氮成分越高，其對應的偏移量也越小。說明了結合SION 界面薄膜的層疊結構在抑制柵壓偏移方面的顯著作用。
另一方面，對各結構電容所做的界面EPMA成分分析表明，結構C 中靠近硅襯底界面處的Ti成分最高，達到了5%，其次是以單純SiO2 作界面的結構D，達到了2.1%，以SiOxNy 作界面層的結構E 中Ti 含量為1.1%，而結構A 的界面Ti 含量最少為1.0%，低于同樣采用復合界面結構的結構B(界面Ti 含量：1.3%)和單層SION 界面的結構E。硅基底界面Ti 成分的出現主要源于工藝過程中TiO2 成分向硅襯底方向不同程度的擴散、反應。上述數據顯示，擴散程度和SION 在界面所占比重是有直接關系的，在C- V 測試結果中，也直接表現為不同程度的柵壓偏移量。
圖2 各結構MOS 電容的電容- 電壓(C- V)特性曲線
SION 膜層起到了抑制Ti 界面擴散的作用，而層疊結構中SION 膜層和SiO2 膜層在界面的層疊組合也在一定程度上降低了氮成分的界面態效應。作為反映界面電學質量的另一個指標，比較圖2 中C- V 特性曲線的積累- 反型過渡區斜率可知，結構C 中C- V 曲線對應的過渡區較長，表現為較寬的電壓軸方向延展和較低的斜率。結構A、B 和E 對應的過渡區在電壓軸上的延展長度相近，相應斜率也均大于結構C，而A、B、E 三者中單純SION 薄膜做界面的結構E 則顯示了最低的過渡區斜率。上述結果表明，結合了SiO2 膜層后的層疊介質(結構A、B)有效抑制了SION 膜層中氮成分帶來的界面態問題，界面質量得到明顯改善。但結構A 和結構B 的斜率仍然低于單純SiO2 作界面的結構D，由此可見，具有良好界面質量的SiO2 薄膜在層疊結構中是一個不可缺少的角色。
3、結論
本文通過對C- V 特性的深入分析論證了結合SiOxNy 薄膜的層疊結構在改善鈦硅基MOS 柵介質綜合性能方面的優勢，以及一般工藝條件下，SiO2 膜層在改善高k 介質電學性能方面的重要作用，有助于進一步促進高k 介質的研究及應用。
全文下載：
TiO2/SiOxNy/SiO2層疊結構柵介質的電容-電壓特性研究
