Исследование вольт-фарадных характеристик Ni/HfO2/SiO2/Si структур с помощью АСМ

А. С. БАТУРИН1, А. В. ЗЕНКЕВИЧ, Ю. Ю. ЛЕБЕДИНСКИЙ,
Н. Ю. ЛЮБОВИН1, А. А. ЧУПРИК1

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

1Московский физико-технический институт (государственный университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Ni/HfO2/SiO2/Si СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ АСМ

Дальнейшее увеличение быстродействия и уменьшение размеров транзисторов в микросхемах логики и памяти, изготовленных по технологии КМОП (комплементарные устройства на структурах металл-оксид-полупроводник), требует уменьшения толщины подзатворного оксида до размеров менее 1 нм. Однако при такой толщине используемый до настоящего времени оксид кремния становится туннельно-прозрачным, поэтому, в качестве альтернативы SiO2 в последние годы рассматриваются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью на основе оксидов металлов (основной кандидат - материал на основе HfO2 [1-3]), которые обеспечивают требуемую «эквивалентную» (оксиду кремния) толщину при достаточно большой физической толщине диэлектрика. В настоящее время одной из актуальных задач является определение C-V характеристик субмикрометровых HfO2 структур. Именно на таком малом масштабе, когда другие методы бессильны, атомно-силовой микроскоп (АСМ) является мощным инструментом для изучения электрических свойств.

В данной работе были изучены C-V характеристики Ni/HfO2/SiO2/Si структур с никелевым верхним электродом в виде квадрата. Суть АСМ метода измерения C-V характеристик заключается в измерении ёмкостных токов, протекающих через контакт зонд-образец, при различных скоростях развёртки напряжения, приложенного к образцу, при заземлённом зонде. Приведенные на рис. 1 характерные I-V кривые получены при скорости развёртки напряжения v = 2 В/c. Измеряя ёмкостную компоненту тока Icap при определённых v, можно вычислить ёмкость структуры (C = Icap/v) для каждого V (рис. 2).

Рис. 1. I-V кривые, полученные при скорости развёртки напряжения v = 2 В/c	Рис. 2. C-V характеристики, полученные при v = 0.2 В/c и при v = 2 В/c

С другой стороны ёмкость Ni/HfO2/SiO2/Si структуры может быть вычислена из геометрических параметров структуры с помощью модели плоского конденсатора. Для структуры с толщиной слоя HfO2 3 нм (диэлектрическая проницаемость k = 22), толщиной слоя SiO2 1 нм (k = 3.82) и площадью Ni электрода (27.5 мкм)2 ёмкость составляет ~ 18 пФ. Эта величина приблизительно соответствует экспериментальным результатам.

При уменьшении размеров Ni электрода ёмкость структуры также будет уменьшаться. Однако с помощью современных АСМ можно измерять малые токи (до нескольких фА) и использовать относительно большие скорости развёртки напряжения (до 200 В/с). Поэтому представляется возможным измерение C-V характеристик Ni/HfO2/SiO2/Si структур субмикрометрового размера.

Полученные таким образом C-V характеристики были сопоставлены с результатами контактной сканирующей ёмкостной микроскопии [4].

Список литературы

1.  Wilk D., Wallace R. M., Anthony J. M. J. Appl. Phys. 2001. V.89. P. 5243.

2.  Green L., Gusev E. P., Degraeve R., Garfunkel E. J. Appl. Phys. 2001. V.90. P. 2057.

3.  Lee J., Jeon T. S., Kwong D. L., Clark R.. J. Appl. Phys. 2002. V.92. P.2807.

4.  Polyakov V. V., Myagkov I. V., Tregubov G. A., Bykov An. V. Book of Abstracts of ICMNE (Zvenigorod, 2005). P. O3-16.