导电SrTiO3上脉冲激光沉积非晶HfO2薄膜的漏电机理分析

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 611731)

随着微电子技术的发展,集成电路的集成度不断增大,器件尺寸不断缩小,当场效应晶体管尺寸缩小到0.1 μm以下时,栅氧化层的等效厚度 (在保持栅电容值不变的条件下,以作为标准得到的栅介质厚度)需要小于3 nm[1]。继续采用传统的SiO2作为栅氧化介质层,电子的直接隧穿效应和栅介质所承受的电场将变得很大,导致栅介质的漏电流增大,器件的可靠性降低[2]。由于场效应晶体管的电容与材料的介电常数成正比,与介质层厚度成反比,采用高介质薄膜作栅介质层可增加其厚度,可承受足够大的击穿场强,使得在保持或增大栅极电容的同时,减小栅与沟道间的隧穿电流,从而提高器件的可靠性。

HfO2属于氟化钙 (CaF2)立方晶体结构,具有高的相对介电常数 (εr=22～25)、宽的带隙(约5.7 eV),与Si接触有较好的热力学稳定性和良好的晶格匹配特性[3-4]。同时,HfO2薄膜还具有较高的硬度、高的化学稳定性和折射率,是目前最有希望代替SiO2的新型高介电栅介质材料之一。

与多晶HfO2比较而言,非晶HfO2可以有效地减小晶界氧空位扩散导致的漏电流、晶界和晶格匹配程度造成的影响,具有各向异性、界面稳定性好等优势。Zhan等[5]研究了在石墨烯上制备非晶HfO2后的背栅场效应,其传输特性 (IDS-VGS)具有明显背栅电压调制效应。朱建华等[6]在P型Si衬底上制备了HfO2薄膜,研究表明样品的漏电流传导机制主要是肖特基和Pool-Frenkel(P-F)发射机制共同组成。以Ar+轰击后的SrTiO3表面准二维导电层具有光致荧光[7],磁阻效应[8]、持续光电导效应[9]、金属绝缘相变[10]、自旋轨道耦合,在存储、传感、场效应等纳米电子器件领域具有巨大的应用前景[11],本实验以Pt/HfO2/SrTiO3器件结构为模型,该器件具有顶栅调制效应,但是非晶HfO2栅介质的漏电机理尚不明确。因此,本实验拟通过对变温I-V特征曲线的分析研究其漏电机制。

1 实验过程

SrTiO3的表面导电层采用Ar+轰击的方法形成。SrTiO3为单面抛光的(100)晶向的单晶,尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm。Ar+轰击过程在KDC-40型号的考夫曼离子源真空腔体中进行,制备出SrTiO3表面导电层。本底真空度为3.0×10-4Pa,轰击时氩气压强保持在2.0×10-2Pa,考夫曼离子源的束流电压参数值为300 V,离子束电流参数值为10 mA,加速电压参数值为60 V,轰击时间30 min。

采用脉冲激光沉积系统在SrTiO3表面导电层上方制备非晶HfO2栅介质层。真空系统为沈阳科仪PLD-IV型真空系统,激光器为德国Lambda Physik公司生产的KrF准分子激光器,波长为248 nm,一个脉冲的宽度为30 ns。以HfO2陶瓷靶为靶材的直径为25 mm,厚度为5 mm,纯度为99.99%。当腔体的气压低于5×10-4Pa时,向腔体内通入氧气,腔体氧气压强保持在8 Pa,待气压稳定后,启动KrF准分子激光器,调节靶材和基板位置使得激光束聚焦到靶材,羽辉正对衬底,在室温下以2 Hz的频率沉积薄膜。采用日本Seiko公司的SPA-300HV扫描探针显微镜的原子力显微镜 (Atomic force microscope,AFM)测试非晶HfO2栅介质层的厚度(d)和表面粗糙度均方根 (RMS)。再利用金属掩模法 (圆孔直径100 μm)和磁控溅射技术制备Pt电极。Pt/HfO2/SrTiO3变温的漏电流I-V特征曲线通过Keithley 2636B源表、Lakeshore 335温度控制仪测试获得,并对得到的I-V曲线进行拟合,分析非晶HfO2栅介质漏电流的漏电机制。

2 结果与讨论

图1(a)为Pt/HfO2/SrTiO3器件结构示意图,从下到上依次为单晶SrTiO3、SrTiO3表面导电层、非晶 HfO2栅介质层、Pt电极。通过导线连接SrTiO3表面导电层和Pt电极测试变温下的纵向IV特性;图1(b)为非晶HfO2栅介质的形貌图,探针扫描范围为5 μm×5 μm。以SrTiO3表面导电层为基准面 (高度为0),由图1(b)可知非晶HfO2栅介质厚度d约为100 nm,粗糙度RMS为7.5 nm。

SrTiO3表面导电层的面电阻的温度测试范围为77～300 K,温度间隔为10 K。面电阻随温度的变化如图2(a)所示,SrTiO3的表面面电阻随着温度的增加而增大,呈现出与金属相似的电阻温度关系,77 K的面电阻为152 Ω,300 K的面电阻为5.86 kΩ。图2(b)是Pt/HfO2/SrTiO3器件结构的变温I-V曲线图。本文研究了100～300 K温度条件下的I-V特性曲线,随着温度降低,非晶HfO2薄膜漏电流降低,各温度I-V呈平行趋势,在300 K、1 V偏压下的漏电流密度约为1.2×10-3A·cm-1。

图1 (a)Pt/HfO2/SrTiO3器件结构示意图;(b)非晶HfO2栅介质的AFM形貌图Fig.1 (a)Schematic diagram of Pt/HfO2/SrTiO3structure;(b)AFM graph of amphous HfO2gate dielectric

图2 (a)Ar+轰击后SrTiO3表面导电层的Rs-T图;(b)Pt/HfO2/SrTiO3结构的变温的I-V特征图Fig.2 (a)Rs-T diagram of the surface conductive layer of SrTiO3after Ar+bombardment;(b)I-V characteristics of Pt/HfO2/SrTiO3structure at different temperatures

为了研究非晶HfO2栅介质的漏电机制,本实验对器件表现出的I-V特性进行四种导电机制分析:空间电荷限制电流机制 (Space Charge Limited Current Mechanism,SCLC)、Fowler-Nordheim导电机制 (F-N)、Pool-Frenkel发射机制 (P-F)、肖特基发射机制。

图3 低温导电机制分析(a)SCLC机制分析;(b)肖特基机制分析;(c)P-F机制分析;(d)F-N机制分析Fig.3 Analysis of low temperature conduction mechanism(a)SCLC mechanism analysis;(b)Schottky mechanism analysis;(c)P-F mechanism analysis;(d)F-N mechanism analysis

SCLC理论认为,随着电压的增大,lgI～lgV曲线依次遵循线性欧姆导电 (斜率S≈1)、平方率导电 (斜率S≈2)以及缺陷填充限制导电 (斜率＞＞2)。根据SCLC理论绘制lgI～lgV关系曲线如图2(a)所示。由图可知lgI～lgV呈两段线性关系且各自接近平行,斜率分别为S1、S2,100～300 K的斜率S1依次为0.46,0.49,0.59,0.64,0.74,满足欧姆导电规律。100～300 K的斜率S2分别为8.2,7.95,7.74,6.69,6.5,不满足欧姆导电规律。故常温下 (300 K)高压段 (＞0.5 V)不是欧姆导电;低压段 (＜0.18 V)为欧姆导电。

在MOS这种平板电容器结构中,介质薄膜的漏电机制还有肖特基机制、P-F机制、F-N机制等。界面在大电场作用下会形成三角形势垒,可能发生F-N隧穿。由图3(d)可知lnI/(V2～V-1)为非线性关系,不满足规律。所以在高压段不是F-N隧穿机制。

肖特基发射效应发生在金属和介质层的界面,属于典型的界面效应。其原理是在外加电场作用下,电极中的电子由于热电子激发克服电极与介质之间的肖特基接触势垒到达介质的导带参与导电,从而增加电流。界面处形成肖特基接触是肖特基发射的前提,根据热电子发射理论肖特基发射电流密度表示为:

式中:A*为有效理查德森常数;ε0为真空介电常数;k为玻尔兹曼常数;T是测试温度;为肖特基势垒高度;E为电场强度;q为电子电荷;εr为相对介电常数。

对公式 (1)取对数绘制lnI～V1/2关系图,由图2(b)可知lnI～V1/2呈线性关系,则可初步判断为肖特基发射机制。对图2(b)曲线进行拟合,呈两段线性关系,低压段斜率S1范围值2.41～6.09,高压段斜率S2范围值13.72～15.10,因为图2(a)已判断低压段非晶HfO2栅介质为欧姆导电,故可初步判断高压段漏电可能为肖特基发射机制。除了肖特基发射机制外,P-F机制也是一种常见的漏电机制。

与界面受限的肖特基发射不同,P-F属于体效应。P-F发射是一种受陷阱辅助的发射机制,受激发的是陷阱中的电荷。在P-F发射效应中,位于绝缘体内部的陷阱在电场作用下将电荷激发跃迁至导带参与导电使电流增大。因此P-F发射的电流密度与陷阱密度有很大关系。界面态密度的变化和氧化层中缺陷态数目的增减会在很大程度上影响P-F发射的电流大小。根据Frenkel的模型[12],在电场E的作用下,电荷陷阱的势垒高度Φ将被降低。

其中,常数β由下式给出

式中:q为电子电量;ε0为真空介电常数;εr为介质层高频介电常数。当陷阱俘获电荷,电子输运所需克服的势垒被降低,容易通过陷阱到陷阱的放肆形成导电电流。自从Frenkel机制提出后,大量文献对Frenkel机制所使用的材料和局限进行了研究[13]。目前,广泛接受的P-F机制电流密度表达式为:

式中:C、k和T分别为常数、玻尔兹曼常数和温度;ξ是依赖于受主补偿的系数,其值在1到2之间[14]。在Frenkel的原始文献中,ξ=2,但对于重补偿的陷阱,ξ=1。对公式 (4)进行变形发现,只要ln(I/V)与V1/2为线性关系即可初步判断为P-F机制。图3(c)高压段ln(I/V)随V1/2做线性变化,斜率S范围值11.49～13.38,且ln(I/E)～E1/2曲线接近平行。故在高压段漏电机制也可能为P-F机制。

为了进一步分析非晶HfO2薄膜漏电机制为肖特基发射机制还是P-F机制。对二者进行了进一步区分。在恒压情况下,忽略电压对场强的依赖性,则肖特基公式 (1)变形可得:

其中Φapp为:

Φapp是相对势垒,由于肖特基缺陷的影响界面势垒会降低。根据公式 (5)可判断ln(J/T2)～1/T的图形化表示应该为直线,从斜率可估计其相对势垒Φapp。图4(a)表示在不同电压下ln(J/T2)～1/T的图形化表示,根据拟合结果可知ln(J/T2)～1/T在特定偏压时仅在高温段呈线性关系。另外,可以假设Φapp依赖于V1/2,那么Φapp～V1/2图像化表示应该为线性关系,根据截距数值能得到零偏压的势垒,根据斜率可求得εr=1.28。HfO2相对介电常数的范围值为21～25。而由肖特基发射机制分析所得的相对介电常数值εr=1.28,远小于22～25,因此可以排除肖特基发射机制作为高压段主导漏电机制的可能。

在P-F机制中,采用做ln(J/E)与温度倒数关系图的方法来消除常数C的不确定性。

图4 (a)Pt/HfO2/SrTiO3偏压为0.82,0.92,1.2和1.5 V时,ln(J/T2)与温度倒数关系图,(b)(2)式中Φapp与V1/2的关系图Fig.4 (a)The diagram of ln(J/T2)～1000/T of Pt/HfO2/SrTiO3at 0.82,0.92,1.2 and 1.5 V;(b)the diagram of Φapp ～ V1/2for formula(2)

图5(a)所示若干偏压 (0.82,0.92,1.2和1.5 V)的ln(I/E)与温度倒数的曲线,各偏压条件下的曲线呈线性,而且斜率基本一致,显然满足Arrheius关系,进一步确认了HfO2栅介质层的P-F导电机制。图5(b)为拟合的ln(I/E)-1000/T斜率与偏压关系图,由截距计算可得陷阱势垒高度为Φ=0.48 eV,根据斜率求得εr=20.2,符合HfO2薄膜相对介电常数范围值21～25。因此,可以确定本实验制备的Pt/HfO2/SrTiO3结构中HfO2栅介质的漏电机制为P-F机制,而不是肖特基发射机制。

图5 (a)Pt/HfO2/SrTiO3偏压为0.82,0.92,1.2和1.5 V时,ln(J/E)与温度倒数关系图;(b)(8)式中Φapp与V1/2的关系图Fig.5 (a)The diagram of ln(J/E)～1000/T of Pt/HfO2/SrTiO3at 0.82,0.92,1.2 and 1.5 V;(b)the diagram of Φapp～V1/2for formula(8)

3 结论

利用脉冲激光沉积技术在SrTiO3表面导电层上方制备非晶HfO2栅介质薄膜,通过磁控溅射技术在非晶HfO2栅介质薄膜上方制备直径为100 μm的圆形Pt电极,测量了变温条件下Pt/HfO2/SrTiO3的漏电流I-V特性,在300 K、1 V偏压下漏电流密度约为1.2×10-3A·cm-2。并深入分析了非晶HfO2栅介质膜薄的四种漏电机制。在低压段 (＜0.18 V)为欧姆导电;在高压段 (＞0.5 V)为P-F漏电机制,HfO2栅介质势垒高度为0.48 eV。