RTA工藝對HfO2/Si界面電學特性的影響

池曉偉 崔海洋

摘 要：為進一步優化HfO2/Si界面的電學性能，本文采用RTA工藝處理HfO2/Si樣品，并分析了相應MOS器件的C-V特性。實驗結果顯示，HfO2/Si界面存在大量的氧化物陷阱電荷，而RTA工藝可以有效修復氧化物陷阱，有效改善HfO2/Si結構MOS器件的電學特性。

關鍵詞：HfO2/Si界面;RTA工藝;氧化物陷阱電荷

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0053-03

Abstract： To improve the electric characteristic of HfO2/Si MOS device， RTA process was conducted to HfO2/Si sample， and C-V characteristic curves of the samples were compared. As a result， this paper confirmed that a large number of oxide trap charge were exist on HfO2/Si interface， and RTA process could be a useful way to improve the electric characteristic of HfO2/Si MOS device， for the reason that RTA process can repair the oxide trap charge on HfO2/Si interface.

Keywords： HfO2/Si interface;RTA process;oxide trap charge

近年來，隨著摩爾定律在微電子領域的延續發展[1]，MOS（金屬-氧化物-半導體）器件尺寸的進一步縮小，工藝上對金屬/氧化物/半導體界面的電學性能要求也越來越嚴格[2]。

傳統工藝采用SiO2作為氧化物層，采用Si襯底自身作為半導體層。SiO2作為氧化物層具有天然優勢，工藝成本低且界面電學性能較好。然而，SiO2介電系數僅為3.9，遠遠無法滿足現代工藝的需求。由于HfO2具有較高的介電系數（25）、熱穩定性較好且與Si界面匹配度較高，技術人員越來越多地采用HfO2代替SiO2作為絕緣柵介質材料[3，4]。但是，與SiO2/Si界面相比，HfO2/Si界面仍存在電學性能不理想等問題[5，6]。

本文通過快速熱退火工藝處理HfO2/Si樣品，并測試樣品的電學特性，分析快速熱退火工藝（RTA）對HfO2/Si界面的電學特性影響。

1 實驗及測試

采用N型Si作為薄膜生長襯底，電阻率為0.1～1.2Ω·cm。襯底經RCA標準清洗，充分吹干后放入ALD腔體。本實驗將樣品分為4組：第1組和第2組樣品均為在200℃下生長15nm的HfO2，且HfO2生長完成后，第1組樣品未進行RTA處理，第2組樣品則在450℃下進行RTA退火處理5min;第3組和第4組樣品均為在150℃下生長15nm的HfO2，且HfO2生長完成后，第3組樣品未進行RTA處理，第4組樣品在450℃下進行RTA退火處理5min。隨后，采用磁控濺射工藝制備上下電極，制備得到4組樣品的Al/HfO2/Si/Al結構的MOS電容器件。

為了表述方便，下文稱第1組樣品即200℃下生長HfO2且未進行RTA退火處理的樣品為樣品1，稱第2組樣品即200℃下生長HfO2且在450oC下采用RTA退火5min的樣品為樣品2，稱第3組樣品即150℃下生長HfO2且未進行RTA退火處理的樣品為樣品3，稱第4組樣品即150℃下生長HfO2且在450oC下采用RTA退火5min的樣品為樣品4。

在本實驗的電容-電壓（C-V）特性測試中，對每個樣品均進行100kHz正向電壓掃描、100kHz反向電壓掃描、1MHz正向電壓掃描以及1MHz反向電壓掃描4組測試。

2 結果與分析

圖1顯示了樣品1（200℃下生長HfO2且未進行退火處理的樣品）的C-V特性曲線。可以觀察到：電壓從2V掃向-2V時，在100kHz和1MHz頻率下測試的C-V曲線基本重合;電壓從-2V掃向2V時，在100kHz和1MHz頻率下測試的C-V曲線均發生了不同程度的偏移，且在100kHz頻率下掃描的曲線偏移更大。可見，此樣品在反向掃描中出現了電壓偏移，且在較低頻率下電壓偏移更為明顯。

圖2顯示了樣品2（200℃下生長HfO2且在450℃下采用RTA退火5min的樣品）的C-V特性。可以觀察到：100kHz和1MHz頻率下測試的C-V曲線，其正向掃描（從2V掃向-2V時）和反向掃描（從-2V掃向2V時）的C-V曲線均是重合的，即該樣品不存在電壓偏移現象。同時，相對于100kHz頻率，1MHz頻率下的樣品積累區電容更小。

在傳統MOS模型中[7]，造成C-V特性曲線出現偏移的一個原因是SiO2/Si界面存在氧化物陷阱電荷[Qot]。如圖3所示，在C-V曲線測量中，電壓掃描為從負到正時，C-V曲線會整體向X軸負方向偏移;電壓掃描從正到負時，C-V曲線會整體向X軸正方向偏移，這種偏移稱為回滯現象。因此，若C-V曲線中出現這樣的回滯現象，則說明SiO2/Si界面存在氧化物陷阱電荷。

根據傳統模型中C-V電學模型可知，本實驗樣品1存在明顯的回滯現象，而樣品2不存在回滯，因而推測樣品1的HfO2/Si存在大量的氧化物陷阱電荷，樣品2中的氧化物陷阱電荷明顯較少。由于樣品2相對于樣品1增加了450℃下采用RTA退火5min的工藝步驟，由此推測450℃下采用RTA退火5min的工藝步驟有效修復了HfO2/Si界面中的氧化物陷阱電荷。

為進一步驗證上述推測，進一步對比了樣品3和樣品4的C-V特性曲線。樣品3（150℃下生長HfO2且未進行退火處理的樣品）和樣品4（150℃下生長HfO2且在450℃下采用RTA退火5min的樣品）的C-V特性曲線，分別如圖4和圖5所示。觀察樣品3的C-V特性曲線（見圖4）發現，無論是100kHz下的測試還是1MHz下的測試，正向掃描（從2V掃向-2V時）和反向掃描（從-2V掃向2V時）的C-V曲線都存在明顯的電壓偏移現象，即存在明顯的回滯現象。觀察樣品4的C-V特性曲線（見圖5）發現，無論是100kHz下的測試還是1MHz下的測試，正向掃描（從2V掃向-2V時）和反向掃描（從-2V掃向2V時）的C-V曲線的電壓偏移現象均明顯變小，即回滯現象明顯變小。樣品4相對于樣品3增加了450℃下采用RTA退火5min的工藝步驟，因此進一步驗證了：原生的HfO2/Si樣品界面存在大量氧化物陷阱電荷，而450℃下RTA退火5min的工藝能夠有效修復了HfO2/Si界面中的氧化物陷阱電荷。

通過上述對比、模型分析以及進一步驗證，驗證了原生的HfO2/Si界面存在大量的氧化物陷阱電荷。這些陷阱電荷對Al/HfO2/Si/Al結構器件的電學性能具有較大影響，而450℃下RTA退火工藝對氧化物陷阱電荷具有較好的修復效果。

3 結論

本實驗研究了450℃下采用RTA退火5min的工藝對HfO2/Si界面電學性能的影響。結果發現：未進行退火處理的樣品存在大量的氧化物陷阱電荷，會導致MOS器件存在明顯的C-V回滯現象;而RTA退火工藝可以有效修復氧化物陷阱電荷等缺陷，對應樣品的C-V回滯現象明顯變小，進一步證實了低溫退火工藝可以有效修復氧化物陷阱電荷。

參考文獻：

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[7]施敏，伍國玨，耿莉，等.半導體器件物理[M].3版.西安：西安交通大學出版社，2008.