高密度金属/绝缘体/金属电容的电压系数调制及性能退化机理

本研究针对射频集成电路用高密度金属/绝缘体/金属（MIM）电容所面临的极高电容电压系数（VCC）的技术难题，通过对具有正、负VCC介质材料的筛选和组装，实现高密度MIM电容的VCC的调制。拟采用原子层淀积技术制备基于TiO2、ZrO2、SiO2等纳米叠层复合薄膜绝缘体，探索绝缘体的组成和空间结构、电极材料特性等对MIM电容的VCC的调制及相关机理，同时对MIM器件的漏电行为、击穿特性、电容的温度特性和频率特性进行研究，揭示它们之间的相互作用机制。进一步地，通过高温和固定电压应力下MIM器件性能退化过程的研究，阐明器件中载流子的传输机制、电容密度和VCC的退化机理等。基于上述研究，可望实现VCC的有效调控，获得具有高密度、低漏电、理想电压线性的MIM电容，为2016年后射频MIM电容提供技术方案和解决思路。

本项目主要针对高密度金属/绝缘体/金属(M电容的电压系数调制进行了一系列的研究：（1）采用磁控溅射的方法，研究了HfO2-SiO2、BZT（BaZrTiO）-HfO2复合介质的组成对MIM电容性能的影响，表明了在HfO2中掺入SiO2或BZT均能降低MIM电容的电压系数（a）。这是由于SiO2和BZT介质MIM电容均具有负的a值，当它们与具有正的a值介质HfO2结合时，就能起到相互抵消的作用。此外，对BZT-HfO2介质MIM电容的导电机理的研究揭示了肖特基发射为主导的漏电机制。（2）采用原子层淀积技术，组装了SiO2/TiO2/SiO2、Al2O3/ZrO2/SiO2多层结构介质薄膜，并对它们的MIM电容的性能进行了研究，最终实现了对基于Al2O3/ZrO2/SiO2多层介质的MIM电容的a值的调控，即随着SiO2层的厚度从0逐渐增加到4nm，a值从1547 ppm/V2迅速降低到176 ppm/V2；此外，SiO2层的引入也大大降低了MIM电容的漏电流密度，即在4V时漏电密度降低约4个数量级。对该结构MIM电容的导电机理的研究发现，其漏电机制主要受肖特基发射主导，在无外电场下其肖特基势垒高度约为1.3eV。（3）以衬底硅上热蒸发铝膜为对象，两次阳极氧化制备AAO模板，结合原子层淀积技术，制备出了AZO/Al2O3/AZO结构纳米电容阵列（AZO为掺Al2O3的ZnO薄膜，作为电极材料）。与平面结构MIM电容相比，其电容密度增加到2.5倍，达到15.3fF/um2。（4）对与MIM电容相关的材料进行了研究，包括高功函数金属Pt薄膜、高介电常数Nb2O5薄膜。由于高功函数金属做电极可以改善MIM电容的性能，所以本课题采用原子层淀积技术，研究了Pt薄膜的制备工艺，并获得了优化的实验条件，实现了7nm无针孔Pt薄膜的生长。另一方面，由于更高介电常数材料的采用可以提高MIM电容的密度，所以本课题研究了原子层淀积Nb2O5薄膜的工艺，获得了在硅衬底上均匀生长超薄Nb2O5薄膜，并具有近乎理想的化学计量比（即O/Nb=2.6）。此外，本课题还对MIM电容与集成电路铜互连相集成时所需要的扩散阻挡层材料，以及作为AZO电极材料的组成部分ZnO的原子层淀积工艺进行了研究，获得了抗扩散性能好、热稳定性高Ru/WHfN阻挡层结构和材材料。