RTA工艺对HfO2/Si界面电学特性的影响

池晓伟 崔海洋

摘 要：为进一步优化HfO2/Si界面的电学性能，本文采用RTA工艺处理HfO2/Si样品，并分析了相应MOS器件的C-V特性。实验结果显示，HfO2/Si界面存在大量的氧化物陷阱电荷，而RTA工艺可以有效修复氧化物陷阱，有效改善HfO2/Si结构MOS器件的电学特性。

关键词：HfO2/Si界面;RTA工艺;氧化物陷阱电荷

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：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，随着摩尔定律在微电子领域的延续发展[1]，MOS（金属-氧化物-半导体）器件尺寸的进一步缩小，工艺上对金属/氧化物/半导体界面的电学性能要求也越来越严格[2]。

传统工艺采用SiO2作为氧化物层，采用Si衬底自身作为半导体层。SiO2作为氧化物层具有天然优势，工艺成本低且界面电学性能较好。然而，SiO2介电系数仅为3.9，远远无法满足现代工艺的需求。由于HfO2具有较高的介电系数（25）、热稳定性较好且与Si界面匹配度较高，技术人员越来越多地采用HfO2代替SiO2作为绝缘栅介质材料[3，4]。但是，与SiO2/Si界面相比，HfO2/Si界面仍存在电学性能不理想等问题[5，6]。

本文通过快速热退火工艺处理HfO2/Si样品，并测试样品的电学特性，分析快速热退火工艺（RTA）对HfO2/Si界面的电学特性影响。

1 实验及测试

采用N型Si作为薄膜生长衬底，电阻率为0.1～1.2Ω·cm。衬底经RCA标准清洗，充分吹干后放入ALD腔体。本实验将样品分为4组：第1组和第2组样品均为在200℃下生长15nm的HfO2，且HfO2生长完成后，第1组样品未进行RTA处理，第2组样品则在450℃下进行RTA退火处理5min;第3组和第4组样品均为在150℃下生长15nm的HfO2，且HfO2生长完成后，第3组样品未进行RTA处理，第4组样品在450℃下进行RTA退火处理5min。随后，采用磁控溅射工艺制备上下电极，制备得到4组样品的Al/HfO2/Si/Al结构的MOS电容器件。

为了表述方便，下文称第1组样品即200℃下生长HfO2且未进行RTA退火处理的样品为样品1，称第2组样品即200℃下生长HfO2且在450oC下采用RTA退火5min的样品为样品2，称第3组样品即150℃下生长HfO2且未进行RTA退火处理的样品为样品3，称第4组样品即150℃下生长HfO2且在450oC下采用RTA退火5min的样品为样品4。

在本实验的电容-电压（C-V）特性测试中，对每个样品均进行100kHz正向电压扫描、100kHz反向电压扫描、1MHz正向电压扫描以及1MHz反向电压扫描4组测试。

2 结果与分析

图1显示了样品1（200℃下生长HfO2且未进行退火处理的样品）的C-V特性曲线。可以观察到：电压从2V扫向-2V时，在100kHz和1MHz频率下测试的C-V曲线基本重合;电压从-2V扫向2V时，在100kHz和1MHz频率下测试的C-V曲线均发生了不同程度的偏移，且在100kHz频率下扫描的曲线偏移更大。可见，此样品在反向扫描中出现了电压偏移，且在较低频率下电压偏移更为明显。

图2显示了样品2（200℃下生长HfO2且在450℃下采用RTA退火5min的样品）的C-V特性。可以观察到：100kHz和1MHz频率下测试的C-V曲线，其正向扫描（从2V扫向-2V时）和反向扫描（从-2V扫向2V时）的C-V曲线均是重合的，即该样品不存在电压偏移现象。同时，相对于100kHz频率，1MHz频率下的样品积累区电容更小。

在传统MOS模型中[7]，造成C-V特性曲线出现偏移的一个原因是SiO2/Si界面存在氧化物陷阱电荷[Qot]。如图3所示，在C-V曲线测量中，电压扫描为从负到正时，C-V曲线会整体向X轴负方向偏移;电压扫描从正到负时，C-V曲线会整体向X轴正方向偏移，这种偏移称为回滞现象。因此，若C-V曲线中出现这样的回滞现象，则说明SiO2/Si界面存在氧化物陷阱电荷。

根据传统模型中C-V电学模型可知，本实验样品1存在明显的回滞现象，而样品2不存在回滞，因而推测样品1的HfO2/Si存在大量的氧化物陷阱电荷，样品2中的氧化物陷阱电荷明显较少。由于样品2相对于样品1增加了450℃下采用RTA退火5min的工艺步骤，由此推测450℃下采用RTA退火5min的工艺步骤有效修复了HfO2/Si界面中的氧化物陷阱电荷。

为进一步验证上述推测，进一步对比了样品3和样品4的C-V特性曲线。样品3（150℃下生长HfO2且未进行退火处理的样品）和样品4（150℃下生长HfO2且在450℃下采用RTA退火5min的样品）的C-V特性曲线，分别如图4和图5所示。观察样品3的C-V特性曲线（见图4）发现，无论是100kHz下的测试还是1MHz下的测试，正向扫描（从2V扫向-2V时）和反向扫描（从-2V扫向2V时）的C-V曲线都存在明显的电压偏移现象，即存在明显的回滞现象。观察样品4的C-V特性曲线（见图5）发现，无论是100kHz下的测试还是1MHz下的测试，正向扫描（从2V扫向-2V时）和反向扫描（从-2V扫向2V时）的C-V曲线的电压偏移现象均明显变小，即回滞现象明显变小。样品4相对于样品3增加了450℃下采用RTA退火5min的工艺步骤，因此进一步验证了：原生的HfO2/Si样品界面存在大量氧化物陷阱电荷，而450℃下RTA退火5min的工艺能够有效修复了HfO2/Si界面中的氧化物陷阱电荷。

通过上述对比、模型分析以及进一步验证，验证了原生的HfO2/Si界面存在大量的氧化物陷阱电荷。这些陷阱电荷对Al/HfO2/Si/Al结构器件的电学性能具有较大影响，而450℃下RTA退火工艺对氧化物陷阱电荷具有较好的修复效果。

3 结论

本实验研究了450℃下采用RTA退火5min的工艺对HfO2/Si界面电学性能的影响。结果发现：未进行退火处理的样品存在大量的氧化物陷阱电荷，会导致MOS器件存在明显的C-V回滞现象;而RTA退火工艺可以有效修复氧化物陷阱电荷等缺陷，对应样品的C-V回滞现象明显变小，进一步证实了低温退火工艺可以有效修复氧化物陷阱电荷。

参考文献：

[1]Moore G E.Cramming More Components onto Integrated Circuits[J].Proceedings of the IEEE，2002（1）：82-85.

[2]艾罗拉.用于VLSI模拟的小尺寸MOS器件模型：理论与实践[M].北京：科學出版社，1999.

[3]Kita K，Kyuno K，Toriumi A.Permittivity Increase of Yttrium-doped HfO2 Through Structural Phase Transformation[J].Applied Physics Letters，2005（10）：102906.

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[5]Pirrotta O，Larcher L，Lanza M，et al.Leakage Current Through the Poly-crystalline HfO2：Trap Densities at Grains and Grain Boundaries[J].Journal of Applied Physics，2013（13）：134503.

[6]Simoen E，Mitard J，Hellings G，et al.Challenges and Opportunities in Advanced Ge pMOSFETs[J].Materials Science in Semiconductor Processing，2012（6）：588-600.

[7]施敏，伍国珏，耿莉，等.半导体器件物理[M].3版.西安：西安交通大学出版社，2008.