Научная статья на тему 'Структурно-химические и электрофизические свойства тонких пленок Ti0. 3al0. 7oy, полученных методом атомно-слоевого осаждения'

Структурно-химические и электрофизические свойства тонких пленок Ti0. 3al0. 7oy, полученных методом атомно-слоевого осаждения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
130
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АТОМНО-СЛОЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ (АСО) / ДИЭЛЕКТРИКИ С ВЫСОКОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ / ТОКИ УТЕЧКИ / ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ATOMIC LAYER DEPOSITION (ALD) / AL-TI-O / HIGH-K DIELECTRICS / LEAKAGE CURRENT / ELECTRICAL CHARACTERIZATION

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Алехин Анатолий Павлович, Григал Ирина Павловна, Гудкова Светлана Александровна, Маркеев Андрей Михайлович, Стариков Павел Александрович

Трехкомпонентные пленки Ti0.3Al0.7Oу толщиной 3-40 нм были выращены на Si-подложках методом атомно-слоевого осаждения. Исходные пленки обладают аморфной структурой вне зависимости от толщины. Быстрый термический отжиг (БТО) при температуре 700 оС приводит к формированию кристаллической фазы TiAl2O5 в пленках Ti0.3Al0.7Oу толщиной 40 нм, более тонкие пленки остаются аморфными. Диэлектрическая проницаемость отожженных Ti0.3Al0.7Oу -пленок варьируется в диапазоне k = 14-19 при изменении толщины от 3 до 40 нм. Значение эквивалентной толщины CET (capacitance equivalent thickness ) пленки толщиной 3 нм равно 1.4 нм. На границе раздела Ti0.3Al0.7Oу -Si в течение АСО-процесса образуется переходный слой SiOх толщиной 0,6-0,7 нм, увеличивающийся в результате БТО до 2-3 нм, что приводит к уменьшению токов утечек на три порядка величины. Оптимальная температура БТО с точки зрения наибольшей величины k и наименьших токов утечки составляет 700 оС.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Алехин Анатолий Павлович, Григал Ирина Павловна, Гудкова Светлана Александровна, Маркеев Андрей Михайлович, Стариков Павел Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Structural chemical and electric properties of Ti0.3Al0.

Ternary oxide Ti0.3Al0.7Oу thin films with thickness 3-40 nm are grown by an atomic layer deposition technique. The grown titanium aluminate films are shown to be a homogeneous alloy and exhibit the amorphous structure in the whole thickness range, while rapid thermal processing (RTP) induces the crystallization of TiAl2O5 phase in the thickness range 20-40 nm. Thinner films remain amorphous after RTP. The permittivity k of annealed films varies in the range k = 14-19 depending on film thickness. The 0.5-nm-thick SiOх layer formeds at the Si-film interface, while the deposition grows up to 2 nm upon RTP and presumably affects the leakage current decreasing three orders of magnitude upon annealing. The optimal temperature of RTP for the maximization k and minimization leakage current densities is T = 700 °C.

Текст научной работы на тему «Структурно-химические и электрофизические свойства тонких пленок Ti0. 3al0. 7oy, полученных методом атомно-слоевого осаждения»

УДК 539.216.2

А. П. Алехищ И. П. Григал, С. А. Гудкова, А. М. Маркеев, П. А. Стариков,

А. А. Чуприк

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Структурно-химические и электрофизические свойства тонких пленок Tio.3Alo.7Oу, полученных методом атомно-слоевого осаждения

Трехкомпонентные пленки Ti0.3Al0.7Oу толщиной 3-40 нм были выращены на Si-подложках методом атомно-слоевого осаждения. Исходные пленки обладают аморфной структурой вне зависимости от толщины. Быстрый термический отжиг (БТО) при температуре 700 0С приводит к формированию кристаллической фазы TiAl205 в пленках Ti0.3Al0.7Oу толщиной ^40 нм, более тонкие пленки остаются аморфными. Диэлектрическая проницаемость отожженных Ti0.3Al0.7O^-пленок варьируется в диапазоне к = 14-19 при изменении толщины от 3 до 40 нм. Значение эквивалентной толщины СЕТ (capacitance equivalent thickness ) пленки толщиной ^3 нм равно 1.4 нм. На границе раздела Ti0.3Al0.70y-Si в течение АСО-процесса образуется переходный слой SiOK толщиной ^0,6-0,7 нм, увеличивающийся в результате БТО до ^2-3 нм, что приводит к уменьшению токов утечек на три порядка величины. Оптимальная температура БТО с точки зрения наибольшей величины к и наименьших токов утечки составляет 700 °С.

Ключевые слова: атомно-слоевое осаждение (АСО), диэлектрики с высокой диэлектрической постоянной, Al-Ti-O, токи утечки, электрофизические свойства.

Введение

Дальнейшее увеличение быстродействия и уменьшение размеров транзисторов в микросхемах логики и памяти, изготовленных по технологии КМОП (комплементарные устройства на структурах металл-оксид-полупроводник), стимулирует поиск новых диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, а также развитие методов формирования сверхтонких диэлектрических слоев.

Высокие значения диэлектрической проницаемости диоксида титана ТЮ2 (30-100) делают его одним из наиболее привлекательных бинарных оксидов для КМОП-технологии.

2

щением зоны проводимости по отношению к Si n-типа, подвержен нежелательной кристаллизации при низких температурах (~ 400 °С), которая в свою очередь приводит к высоким токам утечки. С другой стороны, оксид алюминия AI2O3 имеет широкую запрещенную зону (8.8 эВ), большое смещение зоны проводимости по отношению к Si п-типа, термодинамически стабилен в контакте с Si, однако имеет относительно малое значение диэлектрической проницаемости (7-10). Поэтому в последнее время актуален подход комбинирования ТЮ2 и AI2O3 В виде трехкомпонентных ОКСИДОВ TixAli-xOy или многослойных пленок ТЮ2/А12О3 с целью улучшения электрофизических свойств диэлектрического слоя. В настоящее время трехкомпонентные оксиды TixA\i-xOy получают методами ионного распыления [1], импульсного лазерного осаждения [2], электронно-лучевого напыления

[3].

В последнее время в разработках новых процессов получения тонких пленок большое внимание привлекает метод атомно-слоевого осаждения (АСО), представляющий собой последовательность циклически чередующихся реакций в хемосорбированных слоях. Так как при этом химические реакции протекают на активных центрах поверхности, становится возможным осуществление процесса роста в условиях насыщения при заполнении всех до-стуиных активных центров. В результате процесс АСО иногда называют самонасыщаемым

или поверхностно контролируемым, т.е. когда процесс определяется состоянием поверхности и природой реагента и слабо зависит от таких параметров, как давление и расход реагента, что позволяет получать беспрецедентно однородные и конформные тонкие пленки на больших площадях с высокой воспроизводимостью [4-6].

В работе [7] было изучено влияние концентрации Ti-Al на структурные и электрофизические свойства трехкомпонентных оксидов Ti^Ali-sOy толщиной ~40 нм, полученных методом АСО. Было установлено, что наиболее перспективным для применения в качестве подзатворного диэлектрика в КМОП-технологии является трехкомпонентный оксид состава Ti0.3Al0.7Oу. Учитывая потребность современной микроэлектроники в диэлектриках разных толщин, включая и сверхтонкие (~3 нм), целью данной работы стало получение методом АСО Ti0.3Al0.7O^-пленок в широком диапазоне толщин 3-40 нм, сравнение их структурно-химических и электрофизических характеристик как до, так и после быстрого термического отжига.

1. Экспериментальная часть

Ti0.3Al0.7O^-пленки различной толщины были выращены методом АСО в реакторе с горячими стенками при пониженном давлении (5 мбар) Sunale R-150 Picosun OY. В качестве подложек были использованы Si (100) пластины с проводимостью p-типа и удельным сопротивлением р = 12 Ом-см. Непосредственно перед загрузкой пластин в камеру АСО-реактора Si-пластины были обработаны однопроцентным раствором плавиковой кислоты HF с целью удаления естественного оксида Si02-

В качестве газа-носителя и для продувки камеры использовался азот особой чистоты (99.999%). Пленки Ti0.3Al0.7Oу осаждались при температуре подложки 300 °С с чередованием реакционных циклов: 1 цикл А1(СНз)з - ЩО и 1 цикл Ti(OC^^4 - Н2О. Длительность импульсов подачи реагентов А1(СНз)з и Ti(OC^^4 составляла 0.1 с, в то

2

реактора продувалась азотом в течение 4 с. Для обеспечения необходимого давления насыщенных паров температура Ti(OC2Hs)4 составляла 150 °С. Температура А1(СН3)3 и Н20 составляла 22 °С.

Толщина и коэффициент преломления пленок определялись методом лазерной эллипсо-метрии на эллипсометре Sentech SE500adv. Общее число реакционных циклов составляли величины 34, 116 и 500 для пленок толщиной ~ 3, 10 и 40 нм соответственно.

Для изучения влияния отжига на химический состав, структурные и электрофизические свойства Ti0.3Al0.7O^-пленок выращенные пленки были подвергнуты быстрому тер-

22

ние 60 с. Элементный состав пленок Ti0.3Al0.7Oy конторолировался методом рентгенофлюоресцентного анализа (РФА) на приборе Optim’x Thermo Fisher Scientific с использованием программного обеспечения OptiQuant™ для без эталонного анализа.

Анализ структурных свойств пленок методами рентгеновской дифрактометрии (РД) и рентгеновской рефлектометрии (РР) был выполнен на дифрактометре ARL X’TRA (Thermo Fisher Scientific), оснащенном Си рентгеновской трубкой. Измерения методом рентгеновской дифрактометрии были выполнены в геометрии скользящего падения (6°), методом рентгеновской рефлектометрии — в геометрии Брэгга-Брентано.

Исследование химического состояния пленок Ti0.3Al0.7Oу осуществлялось методом

рентгено-фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре Theta Probe Thermo

Fisher Scientific с монохроматизированным А1&а-излучением (I486 эВ) и разрешением

-i0

по пику Si2p3/2 (99.3eV). Для определения толщин исследуемых слоев было использовано стандартное программное обеспечение Thermo Fisher Scientific.

Исследование морфологии поверхности пленок и измерение шероховатости осуществлялись полуконтактным методом с помощью атомно-силового микроскопа (ACM) NT-MDT Solver Pro-M.

Электрофизические свойства исходных и отожженных пленок исследовались методами I V- и С ^-спектроскопии. Площадь металлических электродов МДП-структур SiZTi0.3Al0.7Oу/А1 составляла от 1960 мкм2 до 0.44 мм2. Вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики были измерены в комнатных условиях с помощью LCR-метра Agilent Е4980А и зондовой станции Ecorpia EPS 1000 при частоте измерительного сш'нала 10 кГц 1 МГц. Нижний предел измерения плотности тока составил 540-7 А/см2.

2. Результаты и их обсуждение

РФА-анализ показал, что содержание металлических элементов в пленках всех трех полученных толщин как до, так и после отжига соответствовало составу Ti0.3Al0.7Oу.

Исследования методом РФЭС показали, что энергии связи Е^ электронов Ti2p и А12р уровней в Ti0.3Al0.7O^-пленках всех трех толщин до и после отжига соответствуют степеням окисления Ti4+ и А13+ в ТЮ2 и AI2O3 соответственно.

В случае тонкой (~ 3 нм) Ti0.3Al0.7O^-пленки метод РФЭС позволяет исследовать химическое состояние границы раздела SiZTi0.3Al0.7Oy- На рис. 1 приведены Si2p РФЭС спектры, полученные от структур SiZTi0.3Al0.7Oу (3 нм) до (кривая 1) и после БТО при

3/2

99.3 эВ, соответствующего Si-Si-связям кремниевой подложки, присутствует пик на 102,9 эВ, соответствующий Si-O-СВЯЗЯМ переходного СЛОЯ между Ti0.3Al0.7Oу'Ш Si. Энергия связи SiOx-пика Еь = 102, 9 эВ существенно ниже значения Е^ = 103, 45 эВ, характерного для степени окисления Si4+ стехиометричного Si02. Данное расхождение обычно объясняется образованием силикатных связей в переходном слое [3], но также может быть связано с об-

2

к измененению положения ЭЮ^-иика на РФЭС-спектрах [7].

Si2p

Si

SiOx л к

i_Aj

1 W’Wwv

, , , , г

107 106 105 104 103 102 101 100 99 98 97

Энергия связи, эВ

Рис. 1. РФЭС-сиектры, полученные от структур Бі/Тіо.зАІо.гОу (3 нм) до (кривая 1) и после БТО при 700 °С (кривая 2)

Важно отметить, что БТО приводит к значительному увеличению интенсивности пика (рис. 1, кривая 2) по сравнению с ЭЮ^-пиком на РФЭС-спектре от неотожженного образца (рис. 1, кривая 1), т.е. к увеличению толщины переходного слоя. Так, расчет по соотношению интенсивностей и 8і-пиков показал, что переходный слой составляет

величину ~ 0.7 нм в неотожженной пленке и ~ 3 нм после БТО при 700 °С.

Исследования методом РР показали, что экспериментальные спектры от пленок Ti0.3Al0.7Oу всех трех толщин как до, так и после БТО (700 °С) могут быть смоделированы на основе двухслойной модели, включающей слой состава Ti0.3Al0.7Oу и переходный слой

SiO^. Результаты расчетов толщин указанных слоев приведены в табл. 1. Видно, что толщина переходного слоя SiO^ для неотожженных пленок всех трех толщин составляет величину ^0.6 нм. БТО образцов приводит к существенному увеличению толщины переходного СЛОЯ SiO^ до величин 1.8-3.0 нм. Указанная в таблице погрешность измерения толщины определяется погрешностью математической обработки РР-данных и не превышает 17% для переходного слоя SiO^ толщиной 0.6 нм. Отметим, что РР-данные по толщинам переходного слоя для тонкой 3 нм) как отожженной, так и неотожженной Ti0.3Al0.7Oу-пленки, граница раздела которой доступна для РФЭС-анализа, находятся в хорошем соответствии с результатами РФЭС-измерений.

Т аблица1

Толщины слоев Ti0.3Al0.7Oу, переходного слоя SiO^, шероховатость (RMS) поверхности слоев Ti0.3Al0.7Oу и относительные диэлектрические проницаемости /г-слоев SiO^/Ti0.3Al0.7Oу

До БТО После БТО

Число цик- лов Толщина слоя TiQ.3AlQ.7O у, нм RMS, нм Толщина переходного слоя SiO^, нм к Толщина слоя TiQ.3AlQ.7O у, нм RMS, нм Толщина переходного слоя SiO^, нм к

500 40.7±0.8 0.1 0.6І0.1 17 38.4±0.8 0.4 1.8І0.1 19

116 9.4±0.2 0.1 0.6І0.1 12 9.0±0.2 0.4 1.9І0.1 14

34 3.0І0.1 0.1 0.6І0.1 13 2.8І0.1 0.1 3.0±0.2 15

Исследования Ti0.3Al0.7Oу-пленок методом РД показали, что пленки всех трех толщин в неотожженном состоянии обладают аморфной структурой. Однако, по данным РД, структура отожженных (700 °С) Ті0.3А10.70у-пленок существенно различается в зависимости от толщины пленки. На рис. 2 приведены рентгеновские дифрактограммы отожженных пленок толщиной ^40 нм (кривая 1) и толщиной ^3 нм (кривая 2). Видно, что на ди-фрактограмме от толстой пленки присутствуют дифракционные рефлексы на углах 20, равных 18,6° и 33.9°, которые соответствуют рефлексам от плоскостей (200) и (230) тройного соединения ТІАІ2О5 с орторомбической решеткой. Таким образом, отожженная толстая пленка обладает поликристаллической структурой, в то время как тонкая пленка сохраняет аморфную структуру (рис.2, кривая 2).

Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы отожженных пленок Ti0.3Al0.7Oу толщиной ^40 нм (кривая 1) и толщиной ^3 нм (кривая 2)

Диэлектрические свойства исходив1х и отожжеиив1х Ti0.3Al0.7Oу- пленок различной тол-ЩИНБ1 бвши охарактеризовав! с помощвю ввхсокочастотнвхх волвт-фараднв1х характеристик МДП-структур Si/Ti0.3Al0.7OУ/А1. Посколвку шероховатоств поверхности (RMS), измеренная с помощвю ACM, достаточно мала по сравнению с толщиной пленки (таблица 1), можно исполвзоватв моделв плоского конденсатора для определения диэлектрической проницаемости слоев. При этом погрешноств измерения диэлектрической проницаемости, связанная с шероховатоствю слоев Ti0.3Al0.7Oне преввппает 3.7%. Общая диэлектрическая проницаемоств к диэлектрических слоев SiO^/Ti0.3Al0.7Oу бвша ввшислена из емкости МДП-структурв1 в режиме аккумуляции.

Следует отметитв, что емкоств в режиме аккумуляции имеет существенную дисперсию в диапазоне частот измерителвного сигнала 10 кГц - 1 МГц за счет доволвно болвшо-го последователвного контактного сопротивления. В данном случае корректировка волвт-фараднв1х характеристик с учетом контактного сопротивления стандартнвши математическими методами [8] невозможна, посколвку проводимоств в режиме аккумуляции имеет силвную зависимоств от напряжения смещения. Поэтому для того, чтобв1 минимизироватв влияние контактного сопротивления, диэлектрическая проницаемоств определяласв при частоте измерителвного сигнала 10 кГц. При этой частоте влияние емкости поверхностнвгх состояний на емкоств в режиме аккумуляции еще не должно 6bitb существеннвш.

Все измереннвю волвт-фараднвш характеристики (рис. 3) имеют плато на наклонном участке, соответствующее моноэнергетическим ловушкам на границе раздела SiO^/Ti0.3Al0.7Oу (рис. 3). Плато на волвт-фараднв1х характеристиках отожженнвгх образцов менее плоское за счет более толстого переходного слоя SiOx (по даннвш РФЭС и РР), приводящего к увеличению времени жизни ловушек. Этот эффект объясняет и неболвшой (50-200 мВ) гистерезис волвт-фараднвгх характеристик, которвш появился после отжига.

Рис. 3. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур на основе диэлектрических Ті0.зА10.7О пленок различной толщины

У

Кроме того, представленнвш волвт-фараднвш характеристики говорят о наличии отри-цателвного встроенного заряда в Ti0.3Al0.7Oу-слоях. В данном случае наиболее вероятнвь ми источниками встроенного заряда являются hohbi тетраэдралвного А13+ [9] и вакансии кислорода, заряженнвш одним или двумя электронами. После отжига суммарнвга отри-цателвнвш встроеннвш заряд уменвшается за счет увеличения положителвного заряда, локализованного на границе раздела между переходнвш слоем SiOx и Si [3].

Эквивалентная толщина СЕТ (capacitance equivalent thickness) [10] для исходной Ti0.3Al0.7O^-пленки толщиной ^3 нм, ввшисленная из волвт-фараднв1х характеристик, составляет СЕТ = 1.2 нм. После ВТО значение СЕТ незначителвно увеличивается (до 1.4 нм) (рис. 4).

Рис. 4. Общая диэлектрическая проницаемость к и СЕТ для отожженных при 700 °С Ti0.3Al0.7Oу пленок разной толщины

БТО Ti0.3Al0.7O^-пленок влияет как на к (табл. 1), так и на плотность токов утечки (рис. 5). Чтобы объяснить влияние БТО на электрофизические свойства Ti0.3Al0.7Oу пленок, необходимо учесть несколько типов процессов, происходящих в пленке во время отжига: (1) рост переходного слоя ЭЮЖ на границе раздел а SiZTi0.3Al0.7O (2) насыщение кислородных вакансий, являющихся источником электронов в оксидах металлов, (3) уплотнение пленки Ti0.3Al0.7Oу и (4) образование кристаллической фазы в пленках толщиной ^40 нм. Вероятно, наблюдаемое после БТО уменьшение плотности токов утечек для Ti0.3Al0.7Oу всех представленных толщин главным образом связано с ростом переходного слоя 8ЮЖ, который обеспечивает дополнительный потенциальный барьер с широкой запрещенной зоной и большим смещением относительно дна зоны проводимости 81 [11, 12]. Увеличение толщины ЭЮЖ подтверждается результатами РФЭС и РР.

о

2

с;

>

о

о

с;

1=

10 10"1 10"2 10"3 10'4 10“' 10 е 10"

—а—40 нм исходный —а—40 нм после БТО 700°С —10 нм исходный —10 нм после БТО 700°С —*—3 нм исходный —★—3 нм после БТО 700°С

'ч; к

Ль д

:Ал, й а ,г і п л Л л ДА/

: % х лАлЛЛ

ч ж ' \>х А' ш» X 1

\Л V .V ! I4.ll іааажал„ і

-4 -3 -2-10 1

Напряжение, В

Рис. 5. Вольт-амперные харатеристики МДП-структур на основе исходных и отожженных при 700 °С Ti0.3Al0.7O^-пленок различной толщины

Несмотря на рост переходного слоя ЭЮЖ с малой к при БТО, общая к двойного диэлектрического слоя ЭЮ^Тi0.3Al0.7Oу немного увеличивается при любой толщине Ti0.3Al0.7Oу-пленки (см. табл. 1). Данный факт говорит о преимущественном влиянии процесса (3),

который эффективно увеличивает к Ti0.3Al0.7Oу-иленок любой толщины. Кроме того, в случае пленки толщиной ^40 нм БТО, как было показано методом РД, приводит к образованию поликрпсталлической фазы TiA^05, которая обладает высокой диэлектрической проницаемостью k ~ 30.

Для более детального изучения влияния отжига на электрофизические свойства пленки Ti0.3Al0.7Oу была выбрана наиболее интересная с точки зрения практического применения в КМОП-технологии пленка толщиной ^3 нм. На рис. 6 представлены вольт-амперные характеристики для исходных и отожженных образцов при температурах 500, 600, 700 °С, а на рис. 7 - зависимость плотности токов утечки при электрических полях -1 MB/см и -2 MB/см от температуры БТО. Резкое изменение токов утечки (на три порядка величины) произошло при температурном переходе от 600 к 700 °С: значения токов утечек при напряженности поля -1 MB/см изменилось от ^5*10 3 А/см2 до 3*10 6А/см2 (рис. 7).

10' 10е 10'1 1(Г 10" ^0'A 10 е 10 е 10'7 10'8

1

] \

у ■ Ti0.3AI07Oy ~3 нм ■ —о— исходная : —V— БТО 500°С Т —о— БТО 600°С л —БТО 700°С 1 . 1 ■ г-

■ 1

-4

-2 -1 О

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Напряжение, В

Рис. 6. Вольт-амперные харатеристики МДП-структур на основе Ti0.3Al0.7O^-пленок толщиной ^ 3 нм после БТО при различных температурах

10°

см

1 О П--------1-----1-----1----1-----1----1-----1----1-----1----1-----1----1-----1-----г

О 100 200 300 400 500 600 700

Температура БТО, °С

Рис. 7. Зависимость плотности токов утечки Ti0.3Al0.7O^-пленок толщиной ^ 3 нм при напряженности поля -1 МВ/см и -2 МВ/см от температуры БТО

Исходные и отожженные пленки демонстрируют различные механизмы токопереноса.

При малых электрических полях вольт-амиериые характеристики (ВАХ) исходного образца хорошо описываются моделью Шоттки. ВАХ, представленная в координатах Шоттки 1п(7) - Е1/2, при малых Е линейна (рис. 8). Поскольку реальные диэлектрики, в особенности оксиды металлов, содержат собственные структурные дефекты — кислородные вакансии [3], величина потенциального барьера для инжекции электронов из металла в зону проводимости диэлектрика (в сравнении с бездефектным диэлектриком) существенно понижается. Высота барьера Шоттки, вычисленная из экспериментальных данных, составляет 0.82 эВ.

Рис. 8. ВАХ исходной Ti0.3Al0.7O^-пленки толщиной ^ 3 нм в координатах Шоттки

Рис. 9. ВАХ исходной и отожженных Ti0.3Al0.7O^-пленок толщиной ^ 3 нм в координатах Фаулера-Нордгейма

Известно, что ВТО при температурах выше 300 °С приводит к насыщению вакансий кислорода [13], обеспечивающих проводимость диэлектрических слоев, что в свою очередь уменьшает проводимость тонкой пленки Ti0.3Al0.7Oу. Выло установлено, что токи утечки пленки после ВТО при 500 и 600 °С при малых значениях напряженности поля (до -0.6 МВ/см) определяются прямым туннелированием носителей (рис. 6), а при средних и больших полях (0.6-5.0 МВ/см) — эмиссией горячих носителей (механизм Фаулера-Нортгейма) из Эьподложки в А1-электрод через диэлектрический слой толщиной 3-5 нм (рис. 9).

При температурном переходе БТО от 600 к 700 °С токи утечки Ti0.3Al0.7O^-пленки уменьшаются на три порядка величины, что связано с увеличением переходного слоя БЮЖ до нм. Добавление дополнительного потенциального барьера одновременно с насыщением кислородных вакансий приводит к тому, что при малых и средних полях (до -3.5 МВ/см) токи утечки соответствуют прямому туннелированию через потенциальный барьер, а при больших полях (3.5-6.7 МВ/см) — эмиссии горячих носителей.

Таким образом, БТО приводит к залечиванию дефектов (кислородных вакансий) в Ti0.3Al0.7O^-пленках толщиной ~ 3 нм, являющихся источниками носителей собственного заряда диэлектрического СЛОЯ, И увеличению ТОЛЩИНЫ переходного СЛОЯ SiOai, в результате чего ток утечки уменьшается на три порядка величины. Было установлено, что оптимальная температура БТО составляет 700 °С.

Вывод

Методом АСО с чередованием реакционных циклов ТЮ2 и AI2O3 на Si-подложках были выращены гомогенные пленки трехкомпонентного оксида Ti0.3Al0.7Oу толщиной 3-40 нм. Исходные пленки аморфны независимо от толщины. БТО приводит к кристаллизации пленок толщиной ~40 нм, более тонкие пленки остаются аморфными. В зависимости от толщины диэлектрическая проницаемость отожженных пленок составляет к = 14-19. Значение СЕТ-пленки толщиной ~3 нм составляет 1.4 нм. На границе раздела Ti0.3Al0.7Oy-Si в течение АСО-процесса образуется переходный слой БЮЖ толщиной ~0,6 нм, увеличивающийся в результате БТО до 3,0 нм, что в конечном итоге уменьшает токи утечки на три порядка величины. Оптимальная температура БТО с точки зрения наибольшей величины к и наименьших токов утечки составляет 700 °С.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Маку Полу за помощь в проведении РФЭС-исследований и А.С. Митяеву за помощь в проведении РФА-исследований.

Работа выполнена, в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы с использованием оборудования Центра, коллективного пользования МФТИ и НОЦ «Нанотехнологии» МФТИ.

Литература

1. Auciello О., Fan W., Kabius В., Saha S., Carlisle J.A., Chang R.P.H., Lopez C., Irene E.A., Baragiola R.A. Hybrid titanium-aluminum oxide layer as alternative high-i gate dielectric for the next generation of complementary metal-oxide-semiconductor devices // Appl. Phvs. Lett. - 2005. - V. 86. - P. 042904-042906.

2. Shi L., Xia Y.D., Hu B., Yin J., Liu Z.G. Thermal stability and electrical properties of titanium-aluminum oxide ultrathin films as high-i gate dielectric materials // J. Appl. Phvs. - 2007. - V. 101. - P. 034102-034105.

3. Mikhelashvili V., Eisenstein G. Composition, surface morphology and electrical

2 3 2

Films. - 2006. - V. 515. - P. 346-352.

4. Puurunen R.L. Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethvlaluminum/water process // J. Appl. Phvs. - 2005. - V. 97. - P. 121301-121362.

5. Алехин А.П., Лапушкин Г.И., Маркеев A.M., Старев А.А., Токнова В.Ф. Атомнослоевое осаждение тонких пленок диоксида титана из тетраэтоксититана и воды // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2010. — №. 5. - С. 23-27.

6. Alekhin A.P., Chouprik A.A., Gudkova S.A., Markeev A.M., Lebedinskii Y.Y., Matveyev Y.A., Zenkevich A.V. Structural and electrical properties of TixAl1-:EOythin films grown by atomic layer deposition 11 J. Vac. Sci. Tech. B - 2011. - V. 29. - P. 01A302-1-6.

7. Schroder D.K. Semiconductor material and device characterization. - Third edition. — New York: John Wiley and Sons, 2006.

8. Bae S.H., Lee C.H., placeClark R., Kwong D.L. MOS characteristics of ultrathin CVD HfAlO gate dielectrics j j IEEE Electron Device Lett. — 2003. — V. 24. — P. 556-558.

9. Kukli K., Ritala M., Lu J., Harsta A., Leskela M. Properties of HfC>2 Thin Films Grown by ALD from Hafnium tetrakis(ethvlmethvlamide) and Water // Journal of the Electrochemical Society. - 2004. - V. 151. - P. F189-F193.

10. Wilk G.D., Wallace R.M., Anthony J.M. High-K gate dielectrics: Current status and materials properties considerations // J. Appl. Phvs. — 2001. — V. 89 — P. 5243-5276.

11. Vogel E.M., Ahmed K.Z., Hornung B., Henson W.K., McLarty P.K., Lucovsky G., Hauser J.R., Wortman J.J. Modeled tunnel currents for high dielectric constant dielectrics // IEEE Trans. Electron Devices - 1998. - V. 45 - P. 1350-1355.

12. Mikhelashvili V., Brener R., Kreinin O., Shneider J., Eisenstein G. Characteristics of metal-insulator-semiconductor capacitors based on high-i HfAlO dielectric films obtained by low-temperature electron-beam gun evaporation // Appl. Phvs. Lett. — 2004. — V. 85 — P. 59505952.

Поступим в редакцию 24-06.2011.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.