C-V測量是測定MOS器件特性的主要方法，它廣泛地應用于半導體材料的研究中。C-V測量時常常在SiO2中觀察到有害的頻率離散。用于校正測量誤差數據的一些分析公式和模型已得到充分研究。著重于消除串聯電阻、氧化物漏電、氧化物與半導體間不希望有的損耗介電薄層、多晶硅耗盡層和表面粗糙度等等的影響。減少納米級MOS器件中柵極漏電的迫切需求刺激了用高k電介質替代SiON的努力。但是，將高k電介質引入生產線將再次引起C-V測量曲線積累區處的頻率離散。到目前為止，頻率離散的準確來源仍有待討論。

本文研究了高k電介質堆層中頻率離散的原因。特別提出了電介質介電常數（k值）的頻率離散。為了確證單獨k值相關影響，對高k電介質和硅襯底間損耗界面層的影響及串聯電阻和硅金屬背接觸的重要性也充分地進行了討論，并基于雙頻技術建模。根據實際測得的LaAlO3/SiO2、ZrO2/SiO2和LaxZr1-xO2/SiO2疊層電容值評估它們k值的頻率相關性。

器件加工和實驗過程

將高k電介質（LaAlO3、ZrO2和LaxZr1-xO2）淀積在n型Si（100）襯底上。高k薄膜和硅襯底間的界面層是～1nm的原始SiO2，由截面透射電子顯微鏡測得（沒有示出）。用1100℃下干法氧化熱生長的SiO2樣品與高k疊層比較。MOS電容用Au柵熱蒸發制造，有效面積為4.9x10-4cm2。所選Si晶圓的背面接觸用HF緩沖溶液清洗，接著用熱蒸發方法淀積200nm厚的Al膜以使串聯電阻影響最小。然后，所有樣品在合成氣體中400℃退火30分鐘，再在1k到1Mz頻率范圍內用HP4192阻抗分析儀測量。

實驗結果和討論

基于高k介質的典型C-V結果分別示于圖1（a）和（b）。不管淀積方法、條件和材料如何，有時仍能得到頻率離散。產生這一問題可能有三個因素：串聯電阻影響，包括不完美的背接觸；有損耗界面層的影響（～1nm原始SiO2）；k值的頻率相關影響。在討論k值的頻率相關影響前，必需充分研究串聯電阻影響和有損耗界面層的影響。

串聯電阻影響（通常是由于硅體電阻和不完美的背接觸）的重要性在熱SiO2 MOS電容中得到最好的展示，其中體電介質與硅襯底間的損耗界面層的影響是可以忽略的。SiO2中頻率離散只有在襯底有效面積小的樣品中觀察到，如圖2（a）所示。此外，對于沒有Al背接觸的小樣品，盡管測量條件是同一的，測得的結果也不再重復，如圖2（b）所示（閉合的符號）。這就破壞了測量方法的可靠性。

為了在任意測量時間和頻率下對SiO2重建測得的C-V曲線，必須考慮可能由背接觸不完美和硅串聯電阻產生的“寄生”分量。然后對C-V曲線實施校正以得到它們的真實值。圖3（a）是理想情況下的等效電路，可與實際測量模式比較，其中Cox代表SiO2柵介質的實際頻率自主電容，Rs含有硅襯底的體電阻及不同接觸電阻產生的量。背接觸不完美也用電容Cp建模。CC、GC、Cm、Gm分別指已校正（沒有“寄生”分量 Rs和Cp的影響）或測得的電容和電導。

測得的電容可按照此模型校正而恢復，與測量頻率無關，如圖3（b）所示。串聯電阻影響則可直接用在襯底背面淀積Al膜減至最小（圖2（b）中的空心符號和圖3（b）中的實線）。這表明，一旦考慮寄生分量時，有可能決定無誤差的電容真值，保持測量系統的可靠性。

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電阻影響引起的（因為此樣品采用了有效面積大的襯底和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，這種情況下，高k層電容比界面層電容小得多（即Ch《《Ci）。但對于圖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Ch與Ci相當，將頻率離散影響歸因于界面層電容內的損耗（假定原始SiO2為～1nm），其中，缺陷是由界面位錯和ZrO2/SiO2化學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，在三個完全不同的頻率對上相互非常一致，證明模型在尋找電容真值方面是成功的。這表明，有損耗界面層也會影響高k堆疊中的頻率離散。有損耗界面層對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，考慮串聯電阻和有損耗界面層二者的影響，評估LaxZr1-xO2介質的κ值頻率相關性。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，這里的影響現在只與其κ值頻率相關性有聯系。LaxZr1-xO2、ZrO2、LaAlO3和熱SiO2介質的頻率相關性也示于圖5（b）以便比較。LaxZr1-xO2介質的k 值明顯與頻率（f）有指數律關系，稱為Curie-von Schweidler定律 ，（0≤n≤1），式中指數（n）的值表明介質弛豫程度。當La的x組分為0.22和0.63時，n 值分別為0.981和0.985。產生這一結果可能有二個原因：金屬氧化物中自由La+或Zr+離子的離子運動導致介質弛豫；自由金屬離子與電子阱復合產生偶極矩而引起介質弛豫。揭示LaxZr1-xO2介質弛豫確切的機理需要做進一步的研究。

結論

頻率離散產生的兩個原因是損耗界面層和串聯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電阻及不完美背接觸的影響后，才能評估k值的頻率相關性。基于兩個等效電路模型對這些影響進行分析和建模。研究每一個影響后，在LaAlO3和ZrO2介質中沒有觀察到k值的頻率相關性。但LaxZr1-xO2介質的k值有明顯的指數律相關性，可用Curie-von Schweidler定律建模。

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