Исследование диэлектрических свойств тонких пленок оксида алюминия, выращенных методом молекулярного наслаивания

Расширение круга, применяемых в микроэлектронике полупроводниковых структур металл—диэлектрик—полупроводник (МДП) требует получения для них качественных диэлектрических слоев при относительно низких температурах, позволяющих избежать деградации поверхности полупроводника. С этой точки зрения перспективными являются слои оксида алюминия Al2O3, синтезируемые методом молекулярного наслаивания. Данный материал имеет высокое значение диэлектрической проницаемости (е = 10) и является кандидатом для замены подзатворного SiO2 (е = 3,9) в МДП-транзисторах [1]. Помимо этого, пленки Al2O3 имеют малые токи утечки по сравнению с НЮ2 (также широко применяющегося в транзисторах).

Конденсаторные структуры с пленками Al2O3 могут быть использованы в качестве сенсоров влажности емкостного типа, имеющих достаточно высокие чувствительность и быстродействие [2]. Перспективным является использование аморфного оксида, алюминия и в качестве блокирующего слоя во ФЛЭШ-элементах памяти (~ 5 нм), основанных на локализации заряда, на. квантовых точках и изготовляемых преимущественно на. базе нитрида, кремния [3].

До настоящего времени, к сожалению, уделялось мало внимания изучению диэлектрических характеристик слоев Al2O3, хотя исследования такого рода необходимы для установления корреляции между процессами диэлектрической поляризации и переноса, заряда, что необходимо при определении надежности работы полупроводниковых систем и электронных устройств на. их основе. Целью данной работы явилось исследование влияния толщины диэлектрического слоя Al2O3 на процессы релаксации и переноса заряда в МДП-структурах методом диэлектрической спектроскопии.

Измерения диэлектрических параметров выполнены в частотном диапазоне J = 10-1... 106 Гц и в температурном интервале 0... 100 °C на спектрометре «Concept 41» (Novocontrol Technologies). Система, состоит из частотного анализатора, импеданса. ALPHA ANB, измерительной ячейки, устройства, термостатирования Novocool Cryosystem, сосуда дьюара с системой испарения и подачи газообразного азота, а также системы автоматического сбора данных с компьютерным интерфейсом. При измерениях температура стабилизировалась с точностью ^ 0,3 °C. На образец подавалось измерительное напряжение 1 В. Алюминиевые контакты площадью 0,24 мм2 наносились на диэлектрик термическим испарением в вакууме. Оксид алюминия выращен методом МН на. кремниевой подложке (p-типа) с ориентацией (100) марки КДБ-10 из смеси газов триметилалюминия А1(СН3)3 (ТМА) и воды. Толщина оксидного слоя, измеренная с помощью эллипсометра

ЛЭФ-3 [4, 5], составляла: образец № ИЗ — 78 нм; образец № 2В — 36 нм (погрешность измерения не превышала 2%).

На рис. 1 представлена частотная зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости е‘ при температуре 50 °C. Для образцов двух толщин зависимости e'(f,T ) характеризуются резким увеличением значения е‘ с уменьшением f и ростом температуры, что говорит о преобладании эффектов межфазной и дипольной поляризации в данном интервале частот [3, 6]. Увеличение толщины оксидного слоя приводит к уменьшению значения е' в области средних частот. Диаграммы Коула—Коула е"(е') указывают на существование недебаевского механизма релаксации с широким распределением времен релаксации.

Из рис. 2 следует, что в исследуемой области f и температур диэлектрические потери характеризуются наличием релаксационных максимумов; причем как для образца № 1В, так и для № 2В максимумы tg 6 наблюдаются при одной и той же частоте (при Ti = 50 °C — fi = 80 Гц. а. при T2 = 100 °C — /2 = 155 Гц). В яиапазоне f <  10 Гц мы имеем дело с проявлением потерь проводимости. Влияние температуры обнаруживается в увеличении значения tg 6 с ростом T. Также к существенному изменению диэлектрических потерь (в среднем в 2-3 раза) приводит увеличение толщины слоя оксида алюминия, что может быть связано с увеличением активных составляющих поляризационных токов.

В ходе эксперимента обнаружена степенная зависимость действительной части комплексной проводимости и’ от часто ты вида Аш® (рис. 3). Показатель степени s = (0,65-0,96 ± 0,01) уменьшается с температурой, что говорит о существовании прыжкового механизма проводимости.

Температурная зависимость о7 в координатах Аррениуса имеет экспоненциальный характер с наличием одного участка с энергией активации для образца № 1В AS1B = (0,16 ± 0,01) эВ. для образца. У 2В ДТДв = (0,24 ± 0,01) эВ. Увеличение проводимости с температурой может быть связано: во-первых, с ростом количества, носителей заряда выброшенных с мест на ионах или вакансиях; во-вторых, со значительным изменением амплитуды колебаний решетки, приводящим к росту подвижности носителей заряда. [7].

Обнаруженные закономерности объясняются аморфностью оксидного слоя, наличием в нем большого числа, дефектов как собственных, так и примесных, образованных при синтезе образцов [2]. Увеличение толщины оксидного слоя вызывает ухудшение диэлектрических характеристик, что проявляется в уменьшении значения диэлектрической проницаемости е‘ в области средних частот и росту удельной проводимости в интервале f ~ 10-1 ^ 106 Гц. Помимо этого с увеличением толщины диэлектрического слоя уменьшается и энергия активации.

Рис. 1. Частотная зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости s’ при температуре 50 °C: 1 — № 1В, 2 — № 2В

Рис. 2. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 для образца № 1В и № 2В при разных температурах. Т К: 1 — № 1В при 50 °C, 2 — № 1В при 100 °C, 3 — № 2В при 50 °C, 4 - № 2В при 100 °

Рис. 3. Зависимость от обратной температуры логарифма действительной части комплексной проводимости а ‘ при частоте 103 Гц для двух образцов: 1 — № 1В, 2 — № 2В