基于高K复合介质的高密度MIM电容研究

【摘要】随着集成电路的飞速发展,传统的多晶硅-绝缘体-多晶硅(PIP)或金属-氧化物-硅衬底(MOS)结构电容由于存在寄生电容、电压线性度差等问题已经无法满足下一代射频和模拟/混合信号集成电路的要求。因此,新型的金属-绝缘体-金属(MIM)结构的电容器被提出来以取代原有的传统结构电容。然而,随着芯片集成度的提高,进一步要求在不改变电容值的情况下减少单个电容器所占据的有效面积。因此研究高密度MIM电容已经成为射频集成电路领域的一项重要课题。由于高介电常数(K)介质MIM电容在维持高电容密度的同时,面临较严重的高电容电压系数(VCC)的问题,严重阻碍了其在相关领域中的实际应用。因此,本论文针对上述问题,开展了基于高K复合介质MIM电容的研究,以期在电容密度和电容电压系数之间找到一个平衡点,既满足高电容密度的要求,又能有效降低电容的电压系数。具体研究内容如下：采用反应离子溅射技术制备了两种高K介质MIM电容：纯Hf02介质和BZT(锆钛酸钡)-Hf02复合介质。对所制备的Hf02和BZT-HfO2介质MIM电容进行了电学测试,结果显示,在100KHz的测试频率下,HfO2MIM电容的电容密度为12.9fF/μm2,二次项电容电压系数(α)值为4270ppm/V2,而BZT-HfO2MIM电容的电容密度为10.2fF/μm2,而α值则降低为2200ppm/V2与HfO2MIM电容的α值相比减少了将近1/2。因此掺入BZT后的BZT-HfO2MIM电容在保持高电容密度的同时,可以明显改善电容的高电容电压系数,具有良好的应用前景。对电容漏电机理的分析显示,Schottky发射机制在所制备的两种电容中均占据主导位置,进一步的计算给出了两种电容的Schottky势垒。研究了等离子体增强原子层淀积技术(PEALD)生长Si02薄膜的工艺。实验过程中,采用三(二甲胺基)硅烷(TDMAS)和O2作为反应源,比较研究了不同衬底温度(100～350℃)、不同衬底表面(si、TiN)对PEALDSiO2薄膜的影响。结果表明,Si02薄膜的生长速率受生长温度的影响较明显,其生长速率和生长温度呈现负相关性,此外,研究也揭示了TiN衬底在PEALD淀积Si02过程中会形成TiNO界面层。为了进一步研究PEALD所生长Si02薄膜的电学特性,特制备了在200℃淀积温度下生长的9nm和13nm的SiO2MIM电容。电学测试表明,在100KHz测试频率下,两个电容对应的电容密度分别为4.21和4.16fF/μ2,而α值分别为-1450和-2340ppm/V2。由于HfO2MIM电容具有正的α值,因此Si02薄膜所表现出的负a值将对HfO2MIM电容的二次项电压系数的调制非常有用。考虑到Hf02和SiO2两种介质具有相反的α值,运用原子层淀积技术,通过堆叠这两种介质形成具有叠层结构的MIM电容,理应可以实现α值的有效降低(中和效应)。研究结果表明,在保持介质层总厚度一定的情况下,引入Si02薄层会降低MIM电容的α值。而稍微增加Si02的厚度,会显著降低MIM电容的α值,同时,其电容密度也会有一定的降低。通过调整SiO2的厚度和叠层的结构,最终制备出具有SiO2/HfO2/SiO2三明治结构的MIM电容。测试结果显示,在100KHz测试频率下,SiO2(1nm)/HfO2(10nm)/SiO2(1nm)MIM电容的电容密度为10.2fF/μm2,a值为1150ppm/V2。而SiO2(1.5nm)/HfO2(9nm)/SiO2(1.5nm)MIM电容的电容密度为9.3fF/μm2,α值为615ppm/V2。比较可知,在总的Si02增加1nm的情况下,电容密度仅减少了约9%,而α值则降低了46%。因此通过选择合适的SiO2和HfO2的结构和比例,可以获得符合要求的具有较佳的电容密度和α值的MIM电容。
【作者】张立锋；
【导师】张卫；
【作者基本信息】复旦大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】氧化铪；锆钛酸钡；氧化硅；金属-绝缘体-金属电容；反应离子溅射；等离子体加强原子层沉积；电容电压系数；

【参考文献】
[1]张庆,刁森林,揭建胜.石墨烯量子点在高性能石墨烯/硅太阳能电池中的应用[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第17分会：光电功能器件[C].中国化学会:,2014:1.
[2]田其.基于WEB的网上辅助教学系统的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[3]漆随平.基于计算机视觉的检测方法与应用研究[D].浙江大学,2005.
[4]金辰.企业合作创新中组织学习能力影响因素研究[D].大连理工大学,企业管理,2013,硕士.
[5]徐思.决澜社与20世纪二三十年代上海现代文艺[D].华东师范大学,美术学,2013,硕士.
[6]吴涛.我国高校办学自主权的保障机制研究[D].浙江大学,2008.
[7]刘君.城镇区域供热系统合理联络方式研究[D].哈尔滨工业大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2014,硕士.
[8]张家林.基于交互式“双板”教学系统的高中地理教学研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[9]杨勇.临地空间平台通信信道建模[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[10]俞春雪.辽宁省不同体质人群的血压状况及影响因素研究[D].沈阳体育学院,运动人体科学,2013,硕士.
[11]邢欣.家居服务中的智能终端控制系统设计与应用[D].南京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[12]李宁.社会保险关系跨统筹转移接续研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[13]汲静静.自行火炮输弹机提升机构液压控制系统分析研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2014,硕士.
[14]梁晓红,谭克虎.德国高铁运送快件业务发展模式研究[J].中国铁路,2014,05:11-15+42.
[15]武婵燕.居住区交往空间环境设计研究[D].浙江大学,2005.
[16]吴佳佳,张盾.石墨烯对微生物燃料电池阴极溶解氧还原反应的影响[A].中国海洋湖沼学会、中国海洋湖沼学会腐蚀与污损专业委员会.中国海洋湖沼学会第十次会员代表大会2012海洋腐蚀与生物污损学术研讨会摘要集[C].中国海洋湖沼学会、中国海洋湖沼学会腐蚀与污损专业委员会:,2012:2.
[17]刘道辉.含氟聚合物/碳纳米管复合材料的制备及性能研究[D].南京航空航天大学,2012.
[18]刘涛.民生银行上海分行授信管理信息系统[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[19]杨富勇.数据挖掘技术在股票投资中的应用[D].湖南大学,软件工程,2010,硕士.
[20]雒成焱.湿陷性黄土地区夯实水泥土桩复合地基承载及变形性状研究[D].西安建筑科技大学,结构工程,2013,硕士.
[21]周志英.蒙脱土层间结构对后过渡金属催化乙烯聚合反应的影响[D].浙江大学,高分子化学与物理,2004,硕士.
[22]孙熠璇.基于虚拟环境训练及视觉运动辨识的上肢康复技术研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2014,硕士.
[23]苏明明.底线公平指标及其测量研究[D].哈尔滨工业大学,社会学,2013,硕士.
[24]向敏慎.新课标下数学反思能力培养的实践研究[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[25]宋桂杰.框架桥顶进过程安全性研究[D].北方工业大学,结构工程,2014,硕士.
[26]陈芸.列宁《帝国主义论》中金融资本思想研究[D].内蒙古师范大学,马克思主义发展史,2012,硕士.
[27]童明余1,2,周孝华1,曾波3.基于直接估计法的NGM(1,1)模型拓展[J].控制与决策.
[28]李春女.小剂量地塞米松预处理的抗颞叶癫痫和脑保护作用[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[29]石金毅.游泳运动对大鼠废用性肌萎缩恢复过程中骨骼肌SOD、MDA、SDH的影响[D].湖北大学,运动人体科学,2011,硕士.
[30]杨妍秋.居家养老模式下居住区户外交往空间的设计探析[D].云南艺术学院,设计艺术学,2013,硕士.
[31]陈秀.有机金属化合物在金属表面上的自组织结构[D].南昌大学,2012.
[32]张思思.京津冀地区交易效率与经济增长研究[D].兰州商学院,区域经济学,2013,硕士.
[33]张林静.沈阳市居住与就业空间不匹配研究[D].东北师范大学,人文地理学,2012,硕士.
[34]刘艳军.盐城体育场罩棚钢结构工程施工过程力学模拟分析[D].山东建筑大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[35]邱肃肃,郑卫刚,王瑞.某轮渡机舱通风系统数值模拟[J].伺服控制,2014,08:67-70.
[36]任玉敏.微流控芯片技术在电泳及微球制备中的研究和应用[D].青岛大学,分析化学,2013,硕士.
[37]邬江.国华电力公司发展战略研究[D].兰州理工大学,工商管理,2014,硕士.
[38]苏明阳,王海军,唐林生.氢氧化镁阻燃剂的应用现状及研究进展[J].当代化工,2015,01:114-116+119.
[39]毛玉文.20世纪50-60年代越南诗人素友作品在中国的传播和影响研究[D].广西民族大学,亚非语言文学,2013,硕士.
[40]徐富贤,熊洪,朱永川,谢戎,王贵雄.川东南高温伏旱区杂交中稻超稀栽培对稻米整精米率的影响与组合间库源结构的关系[J].植物生态学报,2005,05:829-835.
[41]谭静.慈善机构会计信息质量及其效应[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[42]丁敏.YX房地产开发企业内部控制制度的优化研究[D].中国海洋大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[43]黄旭,吕强,钱培德.一种用于蛋白质结构聚类的聚类中心选择算法[J].自动化学报,2011,06:682-692.
[44]周明秀.车载导航系统中动态路径规划关键问题的研究[D].江苏科技大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[45]叶清琳.袁隆平科技创新的资源学研究[D].国防科学技术大学,2004.
[46]黄露露.现代悲剧意识与二十年代乡土小说[D].南京师范大学,中国现当代文学,2012,硕士.
[47]邓雅仙.试从传播学看语文教学[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2014,硕士.
[48]卢勇.两种方法在研究谱任意符号模式矩阵中的应用[D].中北大学,应用数学,2014,硕士.
[49]章婵红.论中文听力理解在交替传译中的作用[D].上海外国语大学,翻译,2012,硕士.
[50]贺浩.基于空间避障的冗余度高空作业车轨迹规划[D].大连理工大学,机械设计及理论,2013,硕士.