導電SrTiO3上脈沖激光沉積非晶HfO2薄膜的漏電機理分析

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,四川 成都 611731)

隨著微電子技術的發(fā)展,集成電路的集成度不斷增大,器件尺寸不斷縮小,當場效應晶體管尺寸縮小到0.1 μm以下時,柵氧化層的等效厚度 (在保持柵電容值不變的條件下,以作為標準得到的柵介質厚度)需要小于3 nm[1]。繼續(xù)采用傳統(tǒng)的SiO2作為柵氧化介質層,電子的直接隧穿效應和柵介質所承受的電場將變得很大,導致柵介質的漏電流增大,器件的可靠性降低[2]。由于場效應晶體管的電容與材料的介電常數成正比,與介質層厚度成反比,采用高介質薄膜作柵介質層可增加其厚度,可承受足夠大的擊穿場強,使得在保持或增大柵極電容的同時,減小柵與溝道間的隧穿電流,從而提高器件的可靠性。

HfO2屬于氟化鈣 (CaF2)立方晶體結構,具有高的相對介電常數 (εr=22～25)、寬的帶隙(約5.7 eV),與Si接觸有較好的熱力學穩(wěn)定性和良好的晶格匹配特性[3-4]。同時,HfO2薄膜還具有較高的硬度、高的化學穩(wěn)定性和折射率,是目前最有希望代替SiO2的新型高介電柵介質材料之一。

與多晶HfO2比較而言,非晶HfO2可以有效地減小晶界氧空位擴散導致的漏電流、晶界和晶格匹配程度造成的影響,具有各向異性、界面穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。Zhan等[5]研究了在石墨烯上制備非晶HfO2后的背柵場效應,其傳輸特性 (IDS-VGS)具有明顯背柵電壓調制效應。朱建華等[6]在P型Si襯底上制備了HfO2薄膜,研究表明樣品的漏電流傳導機制主要是肖特基和Pool-Frenkel(P-F)發(fā)射機制共同組成。以Ar+轟擊后的SrTiO3表面準二維導電層具有光致熒光[7],磁阻效應[8]、持續(xù)光電導效應[9]、金屬絕緣相變[10]、自旋軌道耦合,在存儲、傳感、場效應等納米電子器件領域具有巨大的應用前景[11],本實驗以Pt/HfO2/SrTiO3器件結構為模型,該器件具有頂柵調制效應,但是非晶HfO2柵介質的漏電機理尚不明確。因此,本實驗擬通過對變溫I-V特征曲線的分析研究其漏電機制。

1 實驗過程

SrTiO3的表面導電層采用Ar+轟擊的方法形成。SrTiO3為單面拋光的(100)晶向的單晶,尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm。Ar+轟擊過程在KDC-40型號的考夫曼離子源真空腔體中進行,制備出SrTiO3表面導電層。本底真空度為3.0×10-4Pa,轟擊時氬氣壓強保持在2.0×10-2Pa,考夫曼離子源的束流電壓參數值為300 V,離子束電流參數值為10 mA,加速電壓參數值為60 V,轟擊時間30 min。

采用脈沖激光沉積系統(tǒng)在SrTiO3表面導電層上方制備非晶HfO2柵介質層。真空系統(tǒng)為沈陽科儀PLD-IV型真空系統(tǒng),激光器為德國Lambda Physik公司生產的KrF準分子激光器,波長為248 nm,一個脈沖的寬度為30 ns。以HfO2陶瓷靶為靶材的直徑為25 mm,厚度為5 mm,純度為99.99%。當腔體的氣壓低于5×10-4Pa時,向腔體內通入氧氣,腔體氧氣壓強保持在8 Pa,待氣壓穩(wěn)定后,啟動KrF準分子激光器,調節(jié)靶材和基板位置使得激光束聚焦到靶材,羽輝正對襯底,在室溫下以2 Hz的頻率沉積薄膜。采用日本Seiko公司的SPA-300HV掃描探針顯微鏡的原子力顯微鏡 (Atomic force microscope,AFM)測試非晶HfO2柵介質層的厚度(d)和表面粗糙度均方根 (RMS)。再利用金屬掩模法 (圓孔直徑100 μm)和磁控濺射技術制備Pt電極。Pt/HfO2/SrTiO3變溫的漏電流I-V特征曲線通過Keithley 2636B源表、Lakeshore 335溫度控制儀測試獲得,并對得到的I-V曲線進行擬合,分析非晶HfO2柵介質漏電流的漏電機制。

2 結果與討論

圖1(a)為Pt/HfO2/SrTiO3器件結構示意圖,從下到上依次為單晶SrTiO3、SrTiO3表面導電層、非晶 HfO2柵介質層、Pt電極。通過導線連接SrTiO3表面導電層和Pt電極測試變溫下的縱向IV特性;圖1(b)為非晶HfO2柵介質的形貌圖,探針掃描范圍為5 μm×5 μm。以SrTiO3表面導電層為基準面 (高度為0),由圖1(b)可知非晶HfO2柵介質厚度d約為100 nm,粗糙度RMS為7.5 nm。

SrTiO3表面導電層的面電阻的溫度測試范圍為77～300 K,溫度間隔為10 K。面電阻隨溫度的變化如圖2(a)所示,SrTiO3的表面面電阻隨著溫度的增加而增大,呈現出與金屬相似的電阻溫度關系,77 K的面電阻為152 Ω,300 K的面電阻為5.86 kΩ。圖2(b)是Pt/HfO2/SrTiO3器件結構的變溫I-V曲線圖。本文研究了100～300 K溫度條件下的I-V特性曲線,隨著溫度降低,非晶HfO2薄膜漏電流降低,各溫度I-V呈平行趨勢,在300 K、1 V偏壓下的漏電流密度約為1.2×10-3A·cm-1。

圖1 (a)Pt/HfO2/SrTiO3器件結構示意圖;(b)非晶HfO2柵介質的AFM形貌圖Fig.1 (a)Schematic diagram of Pt/HfO2/SrTiO3structure;(b)AFM graph of amphous HfO2gate dielectric

圖2 (a)Ar+轟擊后SrTiO3表面導電層的Rs-T圖;(b)Pt/HfO2/SrTiO3結構的變溫的I-V特征圖Fig.2 (a)Rs-T diagram of the surface conductive layer of SrTiO3after Ar+bombardment;(b)I-V characteristics of Pt/HfO2/SrTiO3structure at different temperatures

為了研究非晶HfO2柵介質的漏電機制,本實驗對器件表現出的I-V特性進行四種導電機制分析:空間電荷限制電流機制 (Space Charge Limited Current Mechanism,SCLC)、Fowler-Nordheim導電機制 (F-N)、Pool-Frenkel發(fā)射機制 (P-F)、肖特基發(fā)射機制。

圖3 低溫導電機制分析(a)SCLC機制分析;(b)肖特基機制分析;(c)P-F機制分析;(d)F-N機制分析Fig.3 Analysis of low temperature conduction mechanism(a)SCLC mechanism analysis;(b)Schottky mechanism analysis;(c)P-F mechanism analysis;(d)F-N mechanism analysis

SCLC理論認為,隨著電壓的增大,lgI～lgV曲線依次遵循線性歐姆導電 (斜率S≈1)、平方率導電 (斜率S≈2)以及缺陷填充限制導電 (斜率＞＞2)。根據SCLC理論繪制lgI～lgV關系曲線如圖2(a)所示。由圖可知lgI～lgV呈兩段線性關系且各自接近平行,斜率分別為S1、S2,100～300 K的斜率S1依次為0.46,0.49,0.59,0.64,0.74,滿足歐姆導電規(guī)律。100～300 K的斜率S2分別為8.2,7.95,7.74,6.69,6.5,不滿足歐姆導電規(guī)律。故常溫下 (300 K)高壓段 (＞0.5 V)不是歐姆導電;低壓段 (＜0.18 V)為歐姆導電。

在MOS這種平板電容器結構中,介質薄膜的漏電機制還有肖特基機制、P-F機制、F-N機制等。界面在大電場作用下會形成三角形勢壘,可能發(fā)生F-N隧穿。由圖3(d)可知lnI/(V2～V-1)為非線性關系,不滿足規(guī)律。所以在高壓段不是F-N隧穿機制。

肖特基發(fā)射效應發(fā)生在金屬和介質層的界面,屬于典型的界面效應。其原理是在外加電場作用下,電極中的電子由于熱電子激發(fā)克服電極與介質之間的肖特基接觸勢壘到達介質的導帶參與導電,從而增加電流。界面處形成肖特基接觸是肖特基發(fā)射的前提,根據熱電子發(fā)射理論肖特基發(fā)射電流密度表示為:

式中:A*為有效理查德森常數;ε0為真空介電常數;k為玻爾茲曼常數;T是測試溫度;為肖特基勢壘高度;E為電場強度;q為電子電荷;εr為相對介電常數。

對公式 (1)取對數繪制lnI～V1/2關系圖,由圖2(b)可知lnI～V1/2呈線性關系,則可初步判斷為肖特基發(fā)射機制。對圖2(b)曲線進行擬合,呈兩段線性關系,低壓段斜率S1范圍值2.41～6.09,高壓段斜率S2范圍值13.72～15.10,因為圖2(a)已判斷低壓段非晶HfO2柵介質為歐姆導電,故可初步判斷高壓段漏電可能為肖特基發(fā)射機制。除了肖特基發(fā)射機制外,P-F機制也是一種常見的漏電機制。

與界面受限的肖特基發(fā)射不同,P-F屬于體效應。P-F發(fā)射是一種受陷阱輔助的發(fā)射機制,受激發(fā)的是陷阱中的電荷。在P-F發(fā)射效應中,位于絕緣體內部的陷阱在電場作用下將電荷激發(fā)躍遷至導帶參與導電使電流增大。因此P-F發(fā)射的電流密度與陷阱密度有很大關系。界面態(tài)密度的變化和氧化層中缺陷態(tài)數目的增減會在很大程度上影響P-F發(fā)射的電流大小。根據Frenkel的模型[12],在電場E的作用下,電荷陷阱的勢壘高度Φ將被降低。

其中,常數β由下式給出

式中:q為電子電量;ε0為真空介電常數;εr為介質層高頻介電常數。當陷阱俘獲電荷,電子輸運所需克服的勢壘被降低,容易通過陷阱到陷阱的放肆形成導電電流。自從Frenkel機制提出后,大量文獻對Frenkel機制所使用的材料和局限進行了研究[13]。目前,廣泛接受的P-F機制電流密度表達式為:

式中:C、k和T分別為常數、玻爾茲曼常數和溫度;ξ是依賴于受主補償的系數,其值在1到2之間[14]。在Frenkel的原始文獻中,ξ=2,但對于重補償的陷阱,ξ=1。對公式 (4)進行變形發(fā)現,只要ln(I/V)與V1/2為線性關系即可初步判斷為P-F機制。圖3(c)高壓段ln(I/V)隨V1/2做線性變化,斜率S范圍值11.49～13.38,且ln(I/E)～E1/2曲線接近平行。故在高壓段漏電機制也可能為P-F機制。

為了進一步分析非晶HfO2薄膜漏電機制為肖特基發(fā)射機制還是P-F機制。對二者進行了進一步區(qū)分。在恒壓情況下,忽略電壓對場強的依賴性,則肖特基公式 (1)變形可得:

其中Φapp為:

Φapp是相對勢壘,由于肖特基缺陷的影響界面勢壘會降低。根據公式 (5)可判斷l(xiāng)n(J/T2)～1/T的圖形化表示應該為直線,從斜率可估計其相對勢壘Φapp。圖4(a)表示在不同電壓下ln(J/T2)～1/T的圖形化表示,根據擬合結果可知ln(J/T2)～1/T在特定偏壓時僅在高溫段呈線性關系。另外,可以假設Φapp依賴于V1/2,那么Φapp～V1/2圖像化表示應該為線性關系,根據截距數值能得到零偏壓的勢壘,根據斜率可求得εr=1.28。HfO2相對介電常數的范圍值為21～25。而由肖特基發(fā)射機制分析所得的相對介電常數值εr=1.28,遠小于22～25,因此可以排除肖特基發(fā)射機制作為高壓段主導漏電機制的可能。

在P-F機制中,采用做ln(J/E)與溫度倒數關系圖的方法來消除常數C的不確定性。

圖4 (a)Pt/HfO2/SrTiO3偏壓為0.82,0.92,1.2和1.5 V時,ln(J/T2)與溫度倒數關系圖,(b)(2)式中Φapp與V1/2的關系圖Fig.4 (a)The diagram of ln(J/T2)～1000/T of Pt/HfO2/SrTiO3at 0.82,0.92,1.2 and 1.5 V;(b)the diagram of Φapp ～ V1/2for formula(2)

圖5(a)所示若干偏壓 (0.82,0.92,1.2和1.5 V)的ln(I/E)與溫度倒數的曲線,各偏壓條件下的曲線呈線性,而且斜率基本一致,顯然滿足Arrheius關系,進一步確認了HfO2柵介質層的P-F導電機制。圖5(b)為擬合的ln(I/E)-1000/T斜率與偏壓關系圖,由截距計算可得陷阱勢壘高度為Φ=0.48 eV,根據斜率求得εr=20.2,符合HfO2薄膜相對介電常數范圍值21～25。因此,可以確定本實驗制備的Pt/HfO2/SrTiO3結構中HfO2柵介質的漏電機制為P-F機制,而不是肖特基發(fā)射機制。

圖5 (a)Pt/HfO2/SrTiO3偏壓為0.82,0.92,1.2和1.5 V時,ln(J/E)與溫度倒數關系圖;(b)(8)式中Φapp與V1/2的關系圖Fig.5 (a)The diagram of ln(J/E)～1000/T of Pt/HfO2/SrTiO3at 0.82,0.92,1.2 and 1.5 V;(b)the diagram of Φapp～V1/2for formula(8)

3 結論

利用脈沖激光沉積技術在SrTiO3表面導電層上方制備非晶HfO2柵介質薄膜,通過磁控濺射技術在非晶HfO2柵介質薄膜上方制備直徑為100 μm的圓形Pt電極,測量了變溫條件下Pt/HfO2/SrTiO3的漏電流I-V特性,在300 K、1 V偏壓下漏電流密度約為1.2×10-3A·cm-2。并深入分析了非晶HfO2柵介質膜薄的四種漏電機制。在低壓段 (＜0.18 V)為歐姆導電;在高壓段 (＞0.5 V)為P-F漏電機制,HfO2柵介質勢壘高度為0.48 eV。