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      MIM電容研究進展
      來源: | 作者:天悅MIM | 發布時間: 2020-01-13 | 1109 次瀏覽 | 分享到:

      MIM電容研究進展

      要:隨著集成電路的發展,傳統的電容器件已經不能滿足射頻電路的要求。金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器件成為替代傳統電容器的新型電容器件。文章介紹了對MIM電容的要求,制備MIM電容的主要方法,總結了MIM電容的研究現狀以及待解決的問題。

       

      關鍵詞:MIM電容;ALD;high-k材料

        電容器在射頻集成電路中有廣泛的應用,過去這些電容器件都是采用多晶硅-絕緣體-多晶硅結構或金屬-氧化層-硅襯底結構,然而這兩種結構都會產生寄生電容,同時非金屬電極都會產生大的耗散電阻。對于射頻電路,這個問題是不能容忍的,因為等比例縮小工藝對電容的穩定性提出了更高的要求。金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構電容器件通過采用金屬作為兩個電極,有效降低了寄生電容和電容兩極的接觸電阻。因此導電性強、無損耗的高電容密度MIM電容成為替代傳統集成電路電容的新型電容器件。

       

      1 MIM電容的性能要求

       

      1.1 高電容密度

       

      可以看出,要得到大的MIM電容值,考慮到芯片集成度的問題,通過提高MIM單位面積的電容即電容密度來提高電容值??梢酝ㄟ^下面兩種方法實現。第一,減小原有MIM電容介質(SiO2Si3N4)的厚度來d。第二,改變介質的材料,使用高介電常數(high k)材料。然而,過薄的介質厚度會使MIM電容產生比較大的漏電流以及一些可靠性的問題。因此使用高K絕緣介質成為提高電容密度的必然選擇。

       

      1.2 小的電容電壓系數(VCCs

       

      1.3 低漏電

       

      對于漏電的要求主要是考慮到器件的可靠性和功耗問題。根據ITRS2009,MIM電容的漏電流應該小于10-8A/cm2@3V。

       

      2 high-k材料制備方法

       

      MIM電容制備過程中,對于high-k絕緣介質的制備是非常重要的。有許多制備high-k材料的方法,例如脈沖激光沉積(PLD),原子層淀積(ALD)和等離子體增強的ALDPEALD)。

       

      PLD是一種新的薄膜制造技術,適合于氧化物薄膜的外延。但PLD法不能生產大面積薄膜,且均勻性尚不理想。原子層淀積(ALDALCVD),又稱為原子層外延(ALE),在微電子領域中是制備高K柵介質的最佳途徑之一。它基于連續的飽和表面反應,可精確控制薄膜的厚度和組分,實現原子層級的生長,并且生長的薄膜均勻性好。在ALD過程中加入等離子體(即PEALD)可以提高ALD過程中反映前驅體的反應速率以及降低沉積溫度。

       

      3 MIM電容研究現狀

       

      3.1 AL2O3材料的研究

       

      3.2 HfO2材料的研究

       

      3.3 ZrO2材料的研究

       

      ZrO2也是最近研究的比較多的一種高k材料,主要用在柵極和DRAM電容中。ZrO2有三種晶相,分別是單斜晶相,四角晶相和立方晶相。其中四角和立方晶相有比較高的介電常數。ALD生長的四角晶相薄膜其介電常數可以達到41,因此可以用來制備高密度MIM電容。但是它也有一些缺點,比如與HfO2相比,其漏電流比較大,因此單獨用ZrO2做電容介質不太容易,而是與其他材料結合。Indrek等人研究了ZrO2/Ta2O5納米薄層MIM電容,以及ZrO2/Nb2O5/Ta2O5,ZrO2/TaxNb1-xO5Ta2O5/ZrxNbyOz結構的電容。但是實驗表明, ZrO2與其他Zr基氧化物與MOSFET 技術中其他材料間的兼容性較差, 它們的應用前景不如HfO2Hf基高k氧化物材料。

       

      3.4 MIM電容介質新結構的研究

       

      盡管HfO2電容介質在電容密度方面比Al2O3有更好的特性,但是HfO2MIM電容仍然面臨著一些問題,比如在漏電以及擊穿電壓方面則沒有AL2O3的特性好。為了解決這一問題,可以設計一種新的結構。主要有三明治結構和納米薄層結構。

       

      三明治結構。Shi-Jin Ding等人研究了Al2O3 /HfO2/Al2O3AHA)這種三明治結構的電學特性。研究表明引入Al2O3薄層后,當Al2O3厚度從1nm增加到3 nm時,降低了約四個數量級。而擊穿電壓則從2.1 mV/cm增加到2.7 mV/cm。由此可以看出,引入Al2O3后,電容的電學特性得到很大的改善。因此結構或者材料組分也會影響到電容的性能。

       

      納米薄層結構。近幾年,納米薄層結構逐漸引起了人們的廣泛關注。對于組成這種結構不同材料,可以取長補短,主要是介電常數和導電性兩個方面。相對用單種材料而言,這樣可以得到到高電容密度和低漏電。已有很多人做了這方面的研究,如Al2O3/ HfO2AH)結構,Ta2O5/ZrO2TZ)結構,Al2O3/Ta2O5AZ)結構。在AH結構[9]的研究中,總介質厚度為13 nm的電容,其漏電在室溫下為1×10-8 A/cm2@3V,溫度升高到125時,電流降到2×10-5 A/cm2@3V, 這一結果比ALDHfO2以及PVDTb摻雜的HfO2MIM電容性能要好很多。AH薄層電容結構的高擊穿電壓和低漏電主要就是因為引入了Al2O3薄層,它具有相對大的禁帶寬度和較慢的氧擴散,從而能夠改善界面質量。同時,多孔Al2O3的引入終止了HfO2介質的生長,因此消除了從一個電極到另一個電極的晶粒邊界的通路,因此電導率低。

       

      另外,S.J.Ding等還首次做了三明治結構和納米薄層結構的比較,發現納米薄層結構的漏電和擊穿特性都優于三明治結構。而且對于納米薄層而言,HfO2的厚度會影響這兩個特性??煽啃栽囼灡砻?,納米薄層結構有更長的擊穿時間。

       

      4 結 語

       

      本文介紹了MIM電容產生的背景,MIM電容高K介質的制備方法,重點介紹了Al2O3,HfO2ZrO2三種材料的MIM電容的研究現狀以及一些新結構的MIM電容。

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