高介電常數結晶態鋯基介電層於金屬—絕緣體—金屬電容之研究

Investigation of high-permittivity crystalline Zr-based dielectrics on metal-insulator-metal capacitor

陳柏宇(Po-Yu Chen)

指導教授 ： 巫勇賢

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2009年)

摘要

金屬—絕緣體—金屬(metal-insulator-metal, MIM)電容在不同電壓操作範圍下均有穩定的電容值，故被廣泛運用在數位與射頻電路上。近年來，高介電常數材料被不斷的研究使MIM電容具有更大的電容密度及較小的漏電流密度。電容密度提昇能有效微縮晶片尺寸以及降低類比與射頻電路成本。在本論文我們分兩部分實驗討論不同介電層結構與添加其他元素進介電層氧化物討論其電容密度與漏電流密度等電學特性表現。
在實驗第一部份中我們利用原子層沈積技術(atomic layer deposition, ALD)成長四方晶(tetragonal)系的結晶相二氧化鋯(ZrO2)，並搭配非結晶相氧化鋁(Al2O3) 作成ZrO2/Al2O3/ZrO2堆疊式(ZAZ)的MIM電容。使用結晶相ZrO2的MIM電容，電容密度高達21.54 fF/μm2，這是因為結晶使ZrO2的介電常數提升到38.7。同時，因為非結晶相的Al2O3具有大的能障抵擋結晶ZrO2帶來的大漏電流，ZAZ MIM電容的漏電流密度在+2 V時大約為2.11×10−6 A/cm2。此MIM電容的二次電壓係數(quadratic voltage coefficient of capacitance, α)為2443 ppm/V2，此值小於其它氧化物做介電層的MIM電容在相同電容密度時的二次電壓係數，這對MIM電容應用在數位與射頻電路時將更為有利。
此外，我們討論此種ZAZ堆疊式電容的漏電機制。Schottky emission為此結構主要的漏電流傳導方式。因此，為了將來能進一步降低漏電流密度與二次電壓係數，高功函數的金屬電極能提供更大的Schottky barrier作為未來研究整合的方向。
在實驗第二部份我們使用共濺鍍沈積ZrTiO4，我們藉由結晶使ZrTiO4介電層具有超高電容密度45 fF/μm2，但結晶也造成漏電流密度提高，使其不適合用作電路設計的元件。我們利用降低製程溫度使其結晶性下降得到較好的MIM電容特性表現。在以鎳(Ni)作上電極，下電極氮化鉭(TaN)作180秒氨電漿處理時，我們得到非晶相介電層的MIM電容其電容密度、漏電流密度、與α分別為31 fF/μm2、2.47×10-7 A/cm2、1890 ppm/V2。這個優異的表現使非晶相ZrTiO4非常適用在各種電路設計的元件上。
在這部份實驗中我們也同樣探討其漏電機制，並發現在低電場時除了Schottky emission外還有缺陷輔助穿遂機制(trap assisted tunneling)會影響漏電流密度。此一由缺陷引起的漏電流密度可藉由改變量測的電壓間隔(voltage step)與時間延遲(time delay)來降低其影響。

關鍵字

高介電常數 ； 電容 ； 鋯 ； 結晶

並列摘要

無資料

並列關鍵字

high k ； capacitor ； Zr ； crystalline

參考文獻

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