氧氣等離子處理對MIM結構ZrAlO薄膜電容性能的影響

徐文彬，任高潮

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氧氣等離子處理對MIM結構ZrAlO薄膜電容性能的影響

徐文彬1，任高潮2

（1. 集美大學 信息工程學院，福建 廈門 361021；2. 浙江大學 信息與電子工程系，浙江 杭州 310027）

探討了氧氣等離子處理法對基于ZrAlO薄膜的MIM結構電容電學性能的低溫工藝優化。ZrAlO薄膜用射頻磁控濺射法制得，之后在不改變真空條件的情況下進行ZrAlO薄膜的氧氣等離子處理。氧空位是影響薄膜電容性能的主要因素，通過改變氧氣流量和等離子功率等處理條件可以影響氧空位的分布狀態。通過分析受氧空位影響的電容電學性能，最終確定的等離子處理工藝可以使薄膜漏電流降低三個數量級以上，同時非線性電壓系數減小約60%。

MIM電容；氧空位；ZrAlO；等離子；濺射；漏電流

近十年來，高介質薄膜在各類電介質應用領域的研究已取得了長足進步[1-5]，高薄膜的各方面性能也在不斷突破。對高薄膜的工藝研究也逐步從沉積時優化向兼具沉積后處理的工藝方向拓展。在已見報道的高薄膜沉積后處理工藝中，除了傳統的熱處理方式，等離子處理、紫外優化處理等具有低溫特征的工藝正得到越來越廣泛的重視[6-12]。

本文選取ZrAlO這一典型的高介質材料，利用磁控濺射法制備得到ZrAlO薄膜后，在保證真空條件不變的情況下，進一步利用等離子處理工藝對薄膜進行沉積后優化，重點論述等離子功率和氧氣流量等典型參數對ZrAlO基薄膜電容電學性能的影響。

1 實驗

ZrAlO薄膜在有金屬Pt覆蓋的硅襯底上通過射頻磁控濺射法制備得到，所用靶材為ZrO2/Al2O3摩爾比為1:1的陶瓷靶。濺射時本底真空度優于10–3Pa，并設置襯底偏壓為–40 V，靶基距為100 mm，濺射功率保持800 W，濺射過程中在腔體內加入3.0 mL/min氬氣流和2.0 mL/min氧氣流的氣體組合，所有的ZrAlO薄膜濺射時間均為90 min。

在ZrAlO薄膜濺射完成之后，關閉氬氣流并保持真空條件不變，繼續對薄膜進行氧氣等離子處理。等離子工藝的主要參數是氧氣等離子功率（Oxygen Plasma Power：OPP）和氧氣流量（Oxygen Plasma Treatment：OPF），根據現有的實驗條件，等離子功率不能超過150 W，共設計了如下六組處理條件（含對應簡寫）：[OPP：50 W，OPF：1.0 mL/min]（P5F1），[OPP：100 W，OPF：1.0 mL/min]（P10F1），[OPP：150 W，OPF：1.0 mL/min]（P15F1），[OPP：50 W，OPF：2.0 mL/min]（P5F2），[OPP：100 W，OPF：2.0 mL/min]（P10F2），[OPP：150 W，OPF：2.0 mL/min]（P15F2）。

在完成ZrAlO薄膜制備后，繼續以金屬Pt做電極制備面積小于5×10–2cm2的MIM結構電容。并在制備完成后用HP4294A和HP4145A等設備進行了電容-電壓特性和漏電特性的測試。

2 結果與分析

2.1 漏電特性分析

圖1給出了對應不同氧氣等離子處理條件的ZrAlO薄膜電容漏電流密度同外加偏壓之間的關系，每條漏電曲線都大致包含了偏壓較低時的陷阱輔助區和偏壓較高時的擊穿區，兩者的銜接點(如圖中A點所示)可以認為是薄膜的擊穿發生點。同沒有施加等離子處理的薄膜電容相比，氧氣等離子處理使得薄膜漏電流密度顯著降低。

等離子功率提高是薄膜漏電流降低的因素之一，在本文實驗條件下，當采用50 W功率進行等離子處理時，漏電特性已經略有改善，降低了一個數量級；當提高到100 W時，漏電流密度進一步降低了一個數量級以上，擊穿點電壓也有顯著增大；而當功率進一步增大到150 W，低壓區的漏電曲線卻沒有明顯變化，擊穿點電壓則出現了反向下降。

另一個需要關注的因素是氧氣流量，從圖1中曲線的變化來看，在功率不變的條件下，增大氧氣流量都可以進一步降低漏電流。但值得注意的是當功率提高到150 W時，氧氣流量為1.0 mL/min和2.0 mL/min的兩條曲線的低壓漏電特性較為接近，可認為跟P10F2條件對應的曲線處于同一數量級。

已有諸多研究指出[6-12]，薄膜的沉積后處理效果關鍵在于有效的氧離子流數量。增大等離子處理時的氧氣流量可以增加薄膜中的氧離子供應，而等離子功率的增大則有助于提高氧氣流的離化效率，進一步提高等離子處理的效果。因此P10F2，P15F1和P15F2三者比較接近的低壓漏電特性說明氧氣流已經得到了比較充分的離化，并可為ZrAlO薄膜提供接近飽和的氧離子流。另外一組漏電曲線比較接近的情況是在50 W等離子功率條件下得到，都位于10–2A/cm2的量級，說明此時的等離子離化效率較低，無法充分離化1.0~2.0 mL/min的氧氣流。而當等離子功率增加到100 W后，離化效率得到有效提高，漏電流顯著降低，達到了1×10–3~1×10–4A/cm2的量級，并且在流量增加到2.0 mL/min后，漏電流也進一步降低到1×10–5A/cm2的量級，擊穿電壓也達最高值。

圖1 ZrAlO薄膜電容中漏電流和等離子處理工藝之間的關系

等離子處理工藝的影響并非總是正面，150 W功率下相對更顯著的擊穿電壓變化印證了這一點，擊穿電壓從100 W時的5.5~6.0 V降低到150 W時的3.5~4.5 V，說明更大的功率條件給ZrAlO薄膜造成了新的破壞，帶來了新的膜層缺陷。這些變化通過電容-電壓曲線也能體現出來。

2.2 電容-電壓特性分析

圖2給出了不同等離子處理條件對應的ZrAlO薄膜電容分別在100 kHz和1 MHz條件下測試得到的（歸一化）電容-電壓特性曲線。在外加偏壓作用下，電容特性均顯示出較明顯的非線性特征，對這一非線性關系的經典描述是[1-5]：

式中用于描述線性部分的-關系，則用于描述非線性部分，也是介電薄膜性能中受工藝條件影響最大的一部分。在相關報道以及本文的前期研究中已經發現[1-5,13-14]，薄膜制備過程中非線性效應同膜層中氧空位數量正相關。從圖2結果來看，在保持氧氣流量不變的條件下，隨著等離子功率的增加，-曲線中的非線性效應都有比較明顯的減弱。這一變化主要源于功率增加后氧氣離化效率提高，有效增加了參與修復氧空位的離子數量，從而抑制了薄膜的非線性電容特性。

圖2值得關注的另一方面是，高頻特性（1 MHz）相較于低頻特性，有更為明顯的非線性特征。尤其是隨著等離子功率的提高，這一頻率相關的弛豫現象也相應增強。其中150 W功率條件下進行等離子處理時，1 MHz電容值比100 kHz電容值提高了40%以上。這一變化說明隨著等離子處理功率的增加，ZrAlO薄膜中出現了缺陷等級的提高（缺陷尺寸、維度的增加）。雖然氧空位數量的降低抑制了電容-電壓非線性效應，但新出現的高等級缺陷無法完全跟上外加交流偏壓信號的頻率變化，從而導致了電容在外加偏壓作用下的非線性增長。因此可以認為，本實驗條件下150 W的等離子處理功率容易導致ZrAlO膜層中缺陷分布程度的加劇，與此相呼應的就是漏電特性中相應功率條件下擊穿電壓的降低。

圖2 不同等離子處理工藝制得到的ZrAlO薄膜電容非線性比較（測試頻率：1 MHz，100 kHz）

2.3 最優化工藝確定

圖1、圖2的結果表明在本實驗條件下，電容-電壓特性和漏電特性在反映受氧空位影響的電學性能方面是相近的。為了進一步橫向比較，圖3將等離子處理（P10F2）后的薄膜同增加沉積時氧氣流量（提高到3.0 mL/min）和沉積后氧氣氣氛下熱處理（氧氣流量2.0 mL/min，溫度100 ℃，時間60 min）等情況進行了漏電特性對比。在相同的氧氣流量（2.0 mL/min）下，等離子優化后的漏電流低于熱處理后的情況，也低于氧氣流量更高（3.0 mL/min）的未處理薄膜。這一結果表明在本實驗條件下，等離子處理是最佳的薄膜性能優化工藝。在等離子體的作用下，氧分子的離化作用得到顯著增強，相較于單純的熱處理工藝更能有效地修復薄膜中的氧空位缺陷。原位濺射中的等離子氣氛也起到了類似的作用，使得僅增加沉積時氧氣流量而未經沉積后處理的薄膜漏電流甚至還低于熱處理后的薄膜。

綜合漏電特性和電容-電壓特性來看，本實驗條件下，最合適的等離子處理條件是100 W等離子功率和2.0 mL/min氧氣流的組合。100 W等離子功率可以充分離化2.0 mL/min流量的氧氣流，并能夠對ZrAlO膜層中的氧空位進行比較充分的修復而不會增加新的缺陷分布。并實現了二次非線性電壓特性參數降低60%以上，漏電流降低約三個數量級以上。

圖3 不同工藝條件下ZrAlO薄膜電容漏電特性比較

3 結論

氧氣等離子處理方法顯著提高了ZrAlO薄膜電容的電學性能，同增加沉積時氧氣流量和沉積后熱處理等工藝相比，等離子處理在優化薄膜性能方面具有更高的效率。在本實驗條件下，采用100 W等離子功率和2.0 mL/min氧氣流組合能得到離化較為充分的氧離子流，可以實現對ZrAlO薄膜的最優化沉積后處理，并能同時避免高功率條件下薄膜缺陷問題的加劇。最終實現了二次非線性電壓特性參數降低60%以上，漏電流降低三個數量級以上，進而實現薄膜電容電學性能的有效改善。

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（編輯：曾革）

Influence of oxygen plasma treatments on electrical properties of metal-insulator-metal (MIM) structure capacitors based on ZrAlO thin films

XU Wenbin1, REN Gaochao2

(1. College of Information Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian Province, China; 2. Department of Information Science & Electronics Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Oxygen plasma treatments were used for the low temperature improvement of electrical properties of metal-insulator-metal (MIM) structure capacitors based on ZrAlO thin films. The ZrAlO films for these capacitors were deposited by magnetron sputtering, and then treated by oxygen plasma without changing the vacuum conditions. Oxygen vacancies are considered as the main factors affecting electrical properties. Different plasma treating conditions including oxygen flow rate and plasma power result in variation of oxygen vacancies. The optimized plasma conditions are determined based on the analyses of oxygen vacancies related electrical properties. The leakage current is finally reduced by more than three orders of magnitude, and nonlinear voltage coefficient finally decreases by more than 60%.

MIM capacitor; oxygen vacancies; ZrAlO; plasma; sputtering; leakage current

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.012

TN604

A

1001-2028（2017）04-0060-04

2016-12-22

徐文彬

福建省自然科學基金資助項目（No. 2010J05136）；福建省教育廳基金資助項目（No. JA11158）

徐文彬（1980－），男，福建三明人，講師，現主要從事薄膜電子技術領域的教學及科研，E-mail: zuyinxwb@163.com 。

網絡出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.012.html