高k介質(zhì)中頻率離散的原因

測(cè)得的電容可按照此模型校正而恢復(fù)，與測(cè)量頻率無(wú)關(guān)，如圖3(b)所示。串聯(lián)電阻影響則可直接用在襯底背面淀積Al膜減至最?。▓D2(b)中的空心符號(hào)和圖3(b)中的實(shí)線）。這表明，一旦考慮寄生分量時(shí)，有可能決定無(wú)誤差的電容真值，保持測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

再研究高k MOS電路上損耗界面層的影響。在圖1(b)中，要注意頻率離散不是串聯(lián)電阻影響引起的（因?yàn)榇藰悠凡捎昧擞行娣e大的襯底和Al背接觸）。圖1(a)中看到的頻率離散缺失則可用高k層和界面層的相對(duì)厚度解釋。圖1(a)樣品的界面層厚度（~1nm）與電容等效厚度（CET）～21nm比較可以忽略不計(jì)，這種情況下，高k層電容比界面層電容小得多(即ChCi)。但對(duì)于圖1(b)的樣品，盡管有Al背接觸和較大的襯底面積，頻率離散影響仍是很大的。此時(shí)Ch與Ci相當(dāng)，將頻率離散影響歸因于界面層電容內(nèi)的損耗（假定原始SiO2為～1nm），其中，缺陷是由界面位錯(cuò)和ZrO2/SiO2化學(xué)突變界面處鍵合配位中的固有差異引起的。

基于這一解釋，圖4(a)示出了采用雙頻技術(shù)做出的高k堆疊的4-元素電路模型，以便從損耗重建電容值。

圖4(b)是校正后的C-V曲線，在三個(gè)完全不同的頻率對(duì)上相互非常一致，證明模型在尋找電容真值方面是成功的。這表明，有損耗界面層也會(huì)影響高k堆疊中的頻率離散。有損耗界面層對(duì)頻率離散的影響也能用較密的SiO2膜（沒有示出）替代原有SiO2或用厚得多的等效高k層（圖1(a)）加以抑制。

最后，考慮串聯(lián)電阻和有損耗界面層二者的影響，評(píng)估LaxZr1-xO2介質(zhì)的κ值頻率相關(guān)性。圖5(a)示出LaxZr1-xO2/SiO2堆疊中典型的頻率離散影響，由于大的Al接觸襯底和厚的高κ層，這里的影響現(xiàn)在只與其κ值頻率相關(guān)性有聯(lián)系。LaxZr1-xO2、ZrO2、LaAlO3和熱SiO2介質(zhì)的頻率相關(guān)性也示于圖5(b)以便比較。LaxZr1-xO2介質(zhì)的k 值明顯與頻率(f)有指數(shù)律關(guān)系，稱為Curie-von Schweidler定律 ，(0≤n≤1)，式中指數(shù)(n）的值表明介質(zhì)弛豫程度。當(dāng)La的x組分為0.22和0.63時(shí)，n 值分別為0.981和0.985。產(chǎn)生這一結(jié)果可能有二個(gè)原因：金屬氧化物中自由La+或Zr+離子的離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致介質(zhì)弛豫；自由金屬離子與電子阱復(fù)合產(chǎn)生偶極矩而引起介質(zhì)弛豫。揭示LaxZr1-xO2介質(zhì)弛豫確切的機(jī)理需要做進(jìn)一步的研究。

結(jié)論
頻率離散產(chǎn)生的兩個(gè)原因是損耗界面層和串聯(lián)電阻和襯底背接觸不完美，只有在抑制有損耗界面層和串聯(lián)電阻及不完美背接觸的影響后，才能評(píng)估k值的頻率相關(guān)性。基于兩個(gè)等效電路模型對(duì)這些影響進(jìn)行分析和建模。研究每一個(gè)影響后，在LaAlO3和ZrO2介質(zhì)中沒有觀察到k值的頻率相關(guān)性。但LaxZr1-xO2介質(zhì)的k值有明顯的指數(shù)律相關(guān)性，可用Curie-von Schweidler定律建模。