Le recuit micro-ondes améliore les performances diélectriques des condensateurs MIM Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

Résumé

Les condensateurs métal-isolant-métal (MIM) sont essentiels dans les circuits RF, DRAM et mixtes, où une densité de capacitance croissante est requise à mesure que les dimensions des dispositifs diminuent. Dans cette étude, le recuit micro-ondes (MWA) est utilisé pour améliorer les propriétés diélectriques des condensateurs MIM Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ (A/Z/A). Un traitement MWA de 1400 W pendant 5 min augmente la permittivité du ZrO₂ à 41,9 — une amélioration de 40 % — tout en maintenant une température de substrat inférieure à 400 °C, compatible avec les procédés de fin de ligne (BEOL). Les densités de courant de fuite restent comparables (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² pour l'état déposé vs 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻² pour 1400 W), et le mécanisme de conduction est confirmé comme étant le tunnelage assisté par champ.

Contexte

Les condensateurs MIM sont des composants essentiels dans les circuits intégrés RF, DRAM et analogiques/mixtes. La réduction des dimensions des dispositifs exige une densité de capacitance plus élevée ; par exemple, le nœud ITRS 2020 requiert >10 fF µm⁻². Les diélectriques à haute permittivité (high-κ) tels que HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅ et TiO₂ ont été largement étudiés. Le ZrO₂, avec un κ monoclinique de 16–25 et un gap de bande de 5,8 eV, peut atteindre κ ≈ 37–47 lorsqu'il est cristallisé en phases cubiques ou tétragonales, offrant une voie vers une densité de capacitance supérieure. Le recuit micro-ondes s'est avéré efficace pour l'activation des dopants et la formation de silicides dans le silicium, offrant des températures de procédé inférieures aux traitements thermiques conventionnels. Des travaux récents ont montré que le MWA peut améliorer les paramètres clés des condensateurs MOS — épaisseur d'oxyde équivalente, densité d'états d'interface et densité de courant de fuite — en chauffant sélectivement les matériaux à haute perte diélectrique. Ici, nous étudions l'effet du MWA sur les condensateurs MIM TaN/Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃/TaN (TaN/A/Z/A/TaN). Le MWA améliore significativement la permittivité du ZrO₂ et augmente légèrement la densité de courant de fuite, le mécanisme de conduction sous-jacent étant exploré en détail.

Méthodes

Une couche de 500 nm de SiO₂ a été déposée sur Si par PECVD, suivie du pulvérisation de 20 nm TaN et 100 nm Ta. Le wafer a ensuite été transféré dans une chambre ALD où une pile 2 nm Al₂O₃ / 20 nm ZrO₂ / 2 nm Al₂O₃ a été déposée à 250 °C en utilisant les précurseurs Al(CH₃)₃/H₂O et [(CH₃)₂N]₄Zr/H₂O. Une intercouche Al₂O₃ ultramince a été insérée sous le ZrO₂ pour supprimer la croissance de la couche interfaciale. Le MWA a été effectué dans une chambre octogonale DSGI à 5,8 GHz. Les échantillons étaient positionnés au centre à champ uniforme, et la température in-situ était surveillée par un pyromètre infrarouge Raytek XR. Les puissances de recuit variaient de 700 W à 1400 W avec une durée fixe de 5 min. Finalement, une électrode supérieure de 100 nm TaN a été définie par pulvérisation réactive, lithographie et RIE. Les épaisseurs de film ont été mesurées par ellipsométrie (SOPRA GES 5E) et confirmées par TEM. Les caractéristiques capacitance-tension (C-V) ont été obtenues avec un analyseur d'impédance Agilent 4294A (50 mV AC). Les mesures courant-tension (I-V) ont été effectuées avec un analyseur de dispositifs Agilent B1500 dans une boîte noire, le biais appliqué à l'électrode supérieure.

Résultats et Discussion

La structure du condensateur MIM A/Z/A et la chambre MWA sont illustrées aux Fig. 1a et b, respectivement. La Fig. 1c montre une image TEM en coupe transversale d'un condensateur recuit à 1400 W pendant 5 min, révélant une couche ZrO₂ entièrement cristallisée et des couches de pile bien définies. La Fig. 2a présente la probabilité cumulative de la densité de capacitance pour les quatre puissances de recuit. À 50 % de probabilité, les densités de capacitance sont de 7,34, 8,87, 8,96 et 9,06 fF µm⁻² pour 0, 700, 1050 et 1400 W, respectivement. La distribution étroite indique une excellente uniformité de recuit. L'encart affiche les courbes C-V typiques pour chaque échantillon. En excluant la contribution de l'Al₂O₃ (κ ≈ 8), les constantes diélectriques extraites du ZrO₂ sont de 28,3, 40,1, 41,0 et 41,9 pour 0, 700, 1050 et 1400 W, respectivement. Une augmentation de 40 % à 1400 W est attribuée à une cristallisation de haut degré. L'analyse XRD (Fig. 2b inset) montre un pic tétragonal (111) à ~30,7°, confirmant la transition vers la phase tétragonale, connue pour produire des valeurs κ jusqu'à 46,6. La compatibilité du procédé est critique pour l'intégration BEOL. Les courbes de température (Fig. 3) montrent des températures de substrat maximales de 260, 350 et 400 °C pour 700, 1050 et 1400 W, respectivement — bien en dessous de la limite BEOL de 400 °C. Comparé à un RTA de 10 min à 420 °C (qui donne aussi κ ≈ 40), le MWA offre un budget thermique significativement plus faible et un chauffage sélectif des matériaux à haute perte. Les caractéristiques de fuite (Fig. 4a) présentent un comportement à deux régions pour tous les échantillons, indiquant des mécanismes de conduction distincts. Les densités de fuite à ±4 V passent de 1,06 × 10⁻⁷ A cm⁻² (tel que déposé) à 1,92 × 10⁻⁵ A cm⁻² (1400 W), une augmentation de deux ordres de grandeur due aux chemins de fuite induits par les joints de grains. Cependant, à un point de fonctionnement pratique de 2 V, les densités de fuite restent faibles (1,23 × 10⁻⁸ A cm⁻² vs 1,36 × 10⁻⁸ A cm⁻²). La tension de claquage diminue légèrement de 9,8 V à ~9 V avec le MWA, reflétant probablement des changements microstructuraux. Les mécanismes de conduction ont été examinés en ajustant les données J-E à champ élevé au modèle de tunnelage assisté par champ (FAT). Des champs électriques précis à travers la couche ZrO₂ ont été dérivés en utilisant les lois de Gauss et Kirchhoff. Les ajustements linéaires de ln(J/E_Z²) versus 1/E_Z (Fig. 5) confirment la dominance du FAT à champs élevés. Les hauteurs de barrière de piège extraites (φ_t) diminuent de 0,73 eV (tel que déposé) à 0,35 eV (1400 W) pour l'injection par le bas, indiquant l'introduction de pièges peu profonds probablement associés aux joints de grains. À bas champs, le tunnelage assisté par pièges (TAT) est le mécanisme prévalent.

Conclusions

Les condensateurs MIM à nano-pile Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃ fabriqués par ALD présentent une amélioration diélectrique significative lorsqu'ils sont soumis à un MWA de 1400 W pendant 5 min. La densité de capacitance monte à 9,06 fF µm⁻² (gain de 23,4 %), et la constante diélectrique du ZrO₂ atteint 41,9 — une augmentation d'environ 40 % — grâce à une cristallisation de haut degré en phase tétragonale. Le procédé reste entièrement compatible BEOL avec des températures de substrat inférieures à 400 °C. Les courants de fuite à 2 V sont pratiquement inchangés, et la conduction dominante à champ élevé reste le FAT, tandis que le transport à bas champ suit le TAT. Le MWA représente donc une technique prometteuse à faible budget thermique pour améliorer les performances des condensateurs MIM dans l'intégration CMOS.

Abréviations

A/Z/A :

Al₂O₃/ZrO₂/Al₂O₃

ALD :

Dépôt par couches atomiques

BEOL :

Back end of line (fin de ligne)

C-V :

Capacitance-tension

DRAM :

Mémoire vive dynamique

FAT :

Tunnelage assisté par champ

ITRS :

Feuille de route technologique internationale pour les semiconducteurs

I-V :

Courant-tension

MIM :

Métal-isolant-métal

MWA :

Recuit micro-ondes

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

RF :

Radiofréquence

RTA :

Recuit thermique rapide

TAT :

Tunnelage assisté par pièges

TEM :

Microscope électronique en transmission