Recozimento por Micro-ondas Melhora Desempenho Dielétrico de Capacitores MIM Al2O3/ZrO2/Al2O3

Resumo

Capacitores metal-isolador-metal (MIM) são fundamentais em RF, DRAM e CIs de sinal misto, onde densidade de capacitância cada vez maior é necessária à medida que as dimensões dos dispositivos encolhem. Neste estudo, recozimento por micro-ondas (MWA) é empregado para melhorar as propriedades dielétricas de capacitores MIM Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ (A/Z/A). Um tratamento MWA de 1400 W, 5 min eleva a permissividade do ZrO₂ para 41,9 — uma melhoria de 40% — mantendo a temperatura do substrato abaixo de 400 °C, compatível com processos back-end-of-line (BEOL). Densidades de corrente de fuga permanecem comparáveis (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² para depositado vs. 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻² para 1400 W), e o mecanismo de condução é confirmado como tunelamento assistido por campo.

Fundamentação

Capacitores MIM são componentes essenciais em circuitos integrados de RF, DRAM e analógicos/misto. A redução de tamanhos de característica dos dispositivos demanda maior densidade de capacitância; por exemplo, o nó ITRS 2020 requer >10 fF µm⁻². Dielétricos de alto-k como HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅ e TiO₂ têm sido extensivamente investigados. ZrO₂, com k monoclínico de 16–25 e banda proibida de 5,8 eV, pode atingir k ≈ 37–47 quando cristalizado em fases cúbicas ou tetragonais, oferecendo rota para densidade de capacitância superior. Recozimento por micro-ondas mostrou-se eficaz para ativação de dopantes e formação de silicetos em silício, fornecendo temperaturas de processo mais baixas que tratamentos térmicos convencionais. Trabalhos recentes mostraram que MWA pode melhorar parâmetros-chave de capacitores MOS — espessura de óxido equivalente, densidade de estados de interface e densidade de corrente de fuga — por aquecimento seletivo de materiais de alta perda dielétrica. Aqui investigamos o efeito de MWA em capacitores MIM TaN/Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃/TaN (TaN/A/Z/A/TaN). MWA aumenta significativamente a permissividade do ZrO₂ e ligeiramente aumenta a densidade de corrente de fuga, com o mecanismo de condução subjacente explorado em detalhes.

Métodos

Uma camada de 500 nm SiO₂ foi crescida em Si por PECVD, seguida por sputtering de 20 nm TaN e 100 nm Ta. O wafer foi então transferido para uma câmara ALD onde uma pilha 2 nm Al₂O₃ / 20 nm ZrO₂ / 2 nm Al₂O₃ foi depositada a 250 °C usando precursores Al(CH₃)₃/H₂O e [(CH₃)₂N]₄Zr/H₂O. Uma intercamada ultrafina de Al₂O₃ foi inserida abaixo do ZrO₂ para suprimir crescimento de camada interfacial. MWA foi realizada em uma câmara octogonal DSGI a 5,8 GHz. Amostras foram posicionadas no centro de campo uniforme, e a temperatura in-situ foi monitorada por um pirômetro infravermelho Raytek XR. Potências de recozimento variaram de 700 W a 1400 W com duração fixa de 5 min. Finalmente, um eletrodo superior TaN de 100 nm foi definido por sputtering reativo, litografia e RIE. Espessuras de filme foram medidas por elipsometria (SOPRA GES 5E) e confirmadas por TEM. Características capacitância-tensão (C-V) foram obtidas com analisador de impedância Agilent 4294A (50 mV CA). Medidas corrente-tensão (I-V) foram realizadas com analisador de dispositivos Agilent B1500 em caixa escura, viés aplicado ao eletrodo superior.

Resultados e Discussão

A estrutura do capacitor MIM A/Z/A e a câmara MWA são ilustradas na Fig. 1a e b, respectivamente. A Figura 1c mostra uma imagem TEM de seção transversal de um capacitor recozido a 1400 W por 5 min, revelando uma camada ZrO₂ totalmente cristalizada e camadas de pilha bem definidas. A Figura 2a apresenta a probabilidade cumulativa de densidade de capacitância para as quatro potências de recozimento. A 50% de probabilidade, densidades de capacitância são 7,34, 8,87, 8,96 e 9,06 fF µm⁻² para 0, 700, 1050 e 1400 W, respectivamente. A distribuição estreita indica excelente uniformidade de recozimento. O inseto exibe curvas C-V típicas para cada amostra. Excluindo a contribuição do Al₂O₃ (k ≈ 8), as constantes dielétricas extraídas do ZrO₂ são 28,3, 40,1, 41,0 e 41,9 para 0, 700, 1050 e 1400 W, respectivamente. Um aumento de 40% a 1400 W é atribuído a cristalização de alto grau. Análise XRD (Fig. 2b inseto) mostra um pico tetragonal (111) a ~30,7°, confirmando a transição para a fase tetragonal, conhecida por resultar em valores k até 46,6. Compatibilidade de processo é crítica para integração BEOL. Curvas de temperatura (Fig. 3) mostram temperaturas de pico do substrato de 260, 350 e 400 °C para 700, 1050 e 1400 W, respectivamente — bem abaixo do limite BEOL de 400 °C. Comparado com RTA de 10 min a 420 °C (que também resulta em k ≈ 40), MWA oferece orçamento térmico significativamente menor e aquecimento seletivo de materiais de alta perda. Características de fuga (Fig. 4a) exibem comportamento de duas regiões para todas as amostras, indicando mecanismos de condução distintos. Densidades de fuga a ±4 V aumentam de 1,06 × 10⁻⁷ A cm⁻² (depositado) para 1,92 × 10⁻⁵ A cm⁻² (1400 W), um aumento de duas ordens de magnitude devido a caminhos de fuga induzidos por fronteiras de grão. No entanto, em um ponto de operação prático de 2 V, densidades de fuga permanecem baixas (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² vs. 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻²). Tensão de ruptura diminui ligeiramente de 9,8 V para ~9 V com MWA, provavelmente refletindo mudanças microestruturais. Mecanismos de condução foram examinados ajustando dados J-E de alto campo ao modelo de tunelamento assistido por campo (FAT). Campos elétricos precisos através da camada ZrO₂ foram derivados usando as leis de Gauss e Kirchhoff. Ajustes lineares de ln(J/E_Z²) versus 1/E_Z (Fig. 5) confirmam dominância FAT em altos campos. Alturas de barreira de armadilha extraídas (φ_t) diminuem de 0,73 eV (depositado) para 0,35 eV (1400 W) para injeção inferior, indicando introdução de armadilhas rasas provavelmente associadas a fronteiras de grão. Em baixos campos, tunelamento assistido por armadilhas (TAT) é o mecanismo prevalente.

Conclusões

Capacitores MIM nano-empilhados Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ fabricados por ALD exibem melhoria dielétrica significativa quando submetidos a MWA de 1400 W, 5 min. Densidade de capacitância sobe para 9,06 fF µm⁻² (ganho de 23,4%), e a constante dielétrica do ZrO₂ atinge 41,9 — aumento aproximado de 40% — graças a cristalização de alto grau na fase tetragonal. O processo permanece totalmente compatível com BEOL com temperaturas de substrato abaixo de 400 °C. Correntes de fuga a 2 V são virtualmente inalteradas, e a condução dominante em alto campo permanece FAT, enquanto transporte em baixo campo segue TAT. MWA representa portanto uma técnica promissora de baixo orçamento térmico para melhorar desempenho de capacitores MIM em integração CMOS.

Abreviações

A/Z/A:

Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

ALD:

Deposição atômica

BEOL:

Back end of line

C-V:

Capacitância-tensão

DRAM:

Memória de acesso aleatório dinâmica

FAT:

Tunelamento assistido por campo

ITRS:

Roteiro Internacional de Tecnologia para Semicondutores

I-V:

Corrente-tensão

MIM:

Metal-isolador-metal

MWA:

Recozimento por micro-ondas

PECVD:

Deposição química de vapor aprimorada por plasma

RF:

Radiofrequência

RTA:

Recozimento térmico rápido

TAT:

Tunelamento assistido por armadilhas

TEM:

Microscópio eletrônico de transmissão