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MIM电容研究进展
来源: | 作者:天悦MIM | 发布时间: 2020-01-13 | 252 次浏览 | 分享到:

MIM电容研究进展

要:随着集成电路的发展,传统的电容器件已经不能满足射频电路的要求。金属-绝缘体-金属(MIM)电容器件成为替代传统电容器的新型电容器件。文章介绍了对MIM电容的要求,制备MIM电容的主要方法,总结了MIM电容的研究现状以及待解决的问题。

 

关键词:MIM电容;ALDhigh-k材料

  电容器在射频集成电路中有广泛的应用,过去这些电容器件都是采用多晶硅-绝缘体-多晶硅结构或金属-氧化层-硅衬底结构,然而这两种结构都会产生寄生电容,同时非金属电极都会产生大的耗散电阻。对于射频电路,这个问题是不能容忍的,因为等比例缩小工艺对电容的稳定性提出了更高的要求。金属-绝缘体-金属(MIM)结构电容器件通过采用金属作为两个电极,有效降低了寄生电容和电容两极的接触电阻。因此导电性强、无损耗的高电容密度MIM电容成为替代传统集成电路电容的新型电容器件。

 

1 MIM电容的性能要求

 

1.1 高电容密度

 

可以看出,要得到大的MIM电容值,考虑到芯片集成度的问题,通过提高MIM单位面积的电容即电容密度来提高电容值。可以通过下面两种方法实现。第一,减小原有MIM电容介质(SiO2Si3N4)的厚度来d。第二,改变介质的材料,使用高介电常数(high k)材料。然而,过薄的介质厚度会使MIM电容产生比较大的漏电流以及一些可靠性的问题。因此使用高K绝缘介质成为提高电容密度的必然选择。

 

1.2 小的电容电压系数(VCCs

 

1.3 低漏电

 

对于漏电的要求主要是考虑到器件的可靠性和功耗问题。根据ITRS2009MIM电容的漏电流应该小于10-8A/cm2@3V

 

2 high-k材料制备方法

 

MIM电容制备过程中,对于high-k绝缘介质的制备是非常重要的。有许多制备high-k材料的方法,例如脉冲激光沉积(PLD),原子层淀积(ALD)和等离子体增强的ALDPEALD)。

 

PLD是一种新的薄膜制造技术,适合于氧化物薄膜的外延。但PLD法不能生产大面积薄膜,且均匀性尚不理想。原子层淀积(ALDALCVD),又称为原子层外延(ALE),在微电子领域中是制备高K栅介质的最佳途径之一。它基于连续的饱和表面反应,可精确控制薄膜的厚度和组分,实现原子层级的生长,并且生长的薄膜均匀性好。在ALD过程中加入等离子体(即PEALD)可以提高ALD过程中反映前驱体的反应速率以及降低沉积温度。

 

3 MIM电容研究现状

 

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也是最近研究的比较多的一种高k材料,主要用在栅极和DRAM电容中。ZrO2有三种晶相,分别是单斜晶相,四角晶相和立方晶相。其中四角和立方晶相有比较高的介电常数。ALD生长的四角晶相薄膜其介电常数可以达到41,因此可以用来制备高密度MIM电容。但是它也有一些缺点,比如与HfO2相比,其漏电流比较大,因此单独用ZrO2做电容介质不太容易,而是与其他材料结合。Indrek等人研究了ZrO2/Ta2O5纳米薄层MIM电容,以及ZrO2/Nb2O5/Ta2O5ZrO2/TaxNb1-xO5Ta2O5/ZrxNbyOz结构的电容。但是实验表明, ZrO2与其他Zr基氧化物与MOSFET 技术中其他材料间的兼容性较差, 它们的应用前景不如HfO2Hf基高k氧化物材料。

 

3.4 MIM电容介质新结构的研究

 

尽管HfO2电容介质在电容密度方面比Al2O3有更好的特性,但是HfO2MIM电容仍然面临着一些问题,比如在漏电以及击穿电压方面则没有AL2O3的特性好。为了解决这一问题,可以设计一种新的结构。主要有三明治结构和纳米薄层结构。

 

三明治结构。Shi-Jin Ding等人研究了Al2O3 /HfO2/Al2O3AHA)这种三明治结构的电学特性。研究表明引入Al2O3薄层后,当Al2O3厚度从1nm增加到3 nm时,降低了约四个数量级。而击穿电压则从2.1 mV/cm增加到2.7 mV/cm。由此可以看出,引入Al2O3后,电容的电学特性得到很大的改善。因此结构或者材料组分也会影响到电容的性能。

 

纳米薄层结构。近几年,纳米薄层结构逐渐引起了人们的广泛关注。对于组成这种结构不同材料,可以取长补短,主要是介电常数和导电性两个方面。相对用单种材料而言,这样可以得到到高电容密度和低漏电。已有很多人做了这方面的研究,如Al2O3/ HfO2AH)结构,Ta2O5/ZrO2TZ)结构,Al2O3/Ta2O5AZ)结构。在AH结构[9]的研究中,总介质厚度为13 nm的电容,其漏电在室温下为1×10-8 A/cm2@3V,温度升高到125时,电流降到2×10-5 A/cm2@3V, 这一结果比ALDHfO2以及PVDTb掺杂的HfO2MIM电容性能要好很多。AH薄层电容结构的高击穿电压和低漏电主要就是因为引入了Al2O3薄层,它具有相对大的禁带宽度和较慢的氧扩散,从而能够改善界面质量。同时,多孔Al2O3的引入终止了HfO2介质的生长,因此消除了从一个电极到另一个电极的晶粒边界的通路,因此电导率低。

 

另外,S.J.Ding等还首次做了三明治结构和纳米薄层结构的比较,发现纳米薄层结构的漏电和击穿特性都优于三明治结构。而且对于纳米薄层而言,HfO2的厚度会影响这两个特性。可靠性试验表明,纳米薄层结构有更长的击穿时间。

 

4 结 语

 

本文介绍了MIM电容产生的背景,MIM电容高K介质的制备方法,重点介绍了Al2O3HfO2ZrO2三种材料的MIM电容的研究现状以及一些新结构的MIM电容。