Корреляция между морфологией и электрофизическими свойствами сверхтонких пленок HfO2 на Si при вакуумном отжиге: IN-SITU СТМ/АСМ

Д. О. ФИЛАТОВ, Д. А. АНТОНОВ, С. В. ТИХОВ,

А. В. ЗЕНКЕВИЧ1, Ю. Ю. ЛЕБЕДИНСКИЙ1

Нижегородский государственный университет им.

1Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ МОРФОЛОГИЕЙ

И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ СВЕРХТОНКИХ ПЛЕНОК HfO2 НА Si ПРИ ВАКУУМНОМ ОТЖИГЕ:

IN-SITU СТМ/АСМ

Приводятся результаты in situ АСМ/СТМ и ex situ С-V исследований тонких пленок HfO2 (3 нм), выращенных методом атомного послойного осаждения на Si (100). Обнаружена корреляция между морфологией и локальной проводимостью плёнок HfO2, подтвержденная также С-V характеристиками МДП-структур, сформированных на основе образцов, подверженным отжигу при различных температурах.

В последнее время наблюдается большой интерес к исследованиям свойств диэлектрических материалов, перспективных для создания подзатворных диэлектрических слоев в МОП-транзисторах нового поколения. Среди кандидатов материал на основе HfO2 рассматривается как наиболее перспективный [1]. Известно, что данные оксиды обладают высокой равновесной концентрацией вакансий по кислороду, которая растет с повышением температуры. В [2] была предложена модель деградации HfO2 в контакте с кремнием после отжига в вакууме. При отжиге в вакууме свободный кислород может достигать поверхности и покидать оксид. В конечном счете, на границе раздела остаётся восстановленный Hf в контакте с кремнием подложки, и при температурах отжига выше 800 °С начинается реакция образования силицида гафния. Однако, как влияет отжиг в вакууме при температурах менее 650 °С на электрофизические свойства самого диэлектрика еще мало изучено. Необходимо отметить, что в реальных технологических процессах изготовления нанотранзистора едва ли удастся избежать отжига при умеренных температурах Т ~ 300-500 °C после формирования слоев подзатворного диэлектрика.

Целью работы являлось: исследование эволюции морфологии и электрофизических свойств тонких пленок HfO2 на Si подложках в процессе высоковакуумного отжига при температурах от 300 до 650 °С.

Тонкие пленки HfO2 (толщина ≈ 3 нм) были выращены методом атомного послойного осаждения (АПО) на поверхности естественного оксида кремния (≈ 1 нм) на подложках p-Si(100). Отжиг при температурах 300-650 °С проводился на установке Omicron UHV AFM/STM LF1 в условиях сверхвысокого вакуума. Исследование морфологии и локальных электрических свойств (измерение локального сопротивления) пленок HfO2 проводилось in situ методом АСМ в контактном режиме с использованием проводящего АСМ зонда. Для измерения С-V характеристик и токов утечки через диэлектрик на основе структур HfO2/SiO2,/Si были сформированы МДП структуры с контактами Al. Структуры отжигались в вакууме при Т = 300 – 650 °С.

Исходная пленка HfO2 имела низкую шероховатость поверхности (DRp ≈ 0,2 нм на площади 100 нм2). При напряжении между АСМ зондом и подложкой Vg < 6 В ток через плёнку I не превышал 10 пА. Высоковакуумный отжиг при 300 °С приводит к частичной кристаллизации материала пленки и, как следствие, увеличению шероховатости до ≈ 0,6 нм. На токовых изображениях в некоторых участках поверхности наблюдаются области повышенной проводимости (каналы утечки электронов из зонда в подложку). После отжига при 500 °С пленка HfO2 характеризуется сильной неоднородностью морфологии и электрических свойств по поверхности, что связано с неравномерной кристаллизацией пленки. На некоторых участках образца островки на морфологии соответствуют областям повышенной проводимости на токовом изображении, что может быть вызвано формированием нанокластеров из восстановленного Hf на границе с Si в результате ухода свободного кислорода из HfO2 в вакуум. Отжиг при 650 °С приводит к резкому увеличению токов утечки через диэлектрик.

С-V характеристики МДП структур Al/HfO2/SiO2,/Si после высоковакуумного отжига имеют нетипичный вид, что объясняется большими токами утечки через диэлектрик. Минимальные токи утечки для МДП структуры после высоковакуумного отжига при 300 °С были 10-4A/см2 при напряжении 1 В. Отжиг при более высоких температурах (500 и 650 °С) приводил к увеличению тока утечки на 3 порядка величины и тока термогенерации на 2 порядка в приповерхностной области кремния. Также наблюдалось увеличение отрицательного встроенного заряда в диэлектрике, что соответствовало изменению напряжения плоских зон на 0,2 В.

Работа выполнена в рамках российско-итальянского НОЦ «Материалы для микро-, нано - и оптоэлектроники».

Cписок литературы

1. G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony, // J. Appl. Phys. 2001. № 89, p.5243.

2. A. Zenkevich, Yu. Lebedinskii, G. Scarel, M. Fanciulli, A. Baturin, N. Lubovin // Microelectronics Reliability. 2007. № 47. p. 657-659.