ZrO₂薄膜光学带隙及电子缺陷的厚度依赖特性的椭偏研究

【作者】 许骥平； 张荣君； 张远； 王子仪； 陈磊； 黄清华； 卢洪亮； 郑玉祥； 王松有； 陈良尧；

【机构】 复旦大学光科学与工程系； 复旦大学专用集成电路国家重点实验室； 中国工程物理研究院电子工程研究所；

【摘要】 随着电子器件持续向小型化发展,具有高介电常数的金属氧化物超薄膜因其可用于下一代MOS电容/场效应晶体管的绝缘栅极层以及闪存中的电荷俘获层而受到越来越多的关注。高k氧化物薄膜在实际应用时需具备合适的带隙和较少的电子缺陷。ZrO₂薄膜作为一种高k金属氧化物,介电系数约为25,带隙为5.0-6.2 eV。然而,对于纳米超薄尺度下,ZrO₂的带宽尺寸效应至今尚存争议;同时,尽管体材料的点缺陷在理论和实验上均有报道,但纳米ZrO₂薄膜的电子缺陷以及相关的厚度影响却鲜有研究。我们这一工作,是结合椭圆偏振（SE）光谱测量和点对点数据反推方法,来获取一系列ZrO₂超薄膜的光学常数,从而分析得到其光学带宽和电子缺陷的厚度依赖特性。使用原子层沉积方法在Si衬底上沉积了一系列不同厚度的ZrO₂超薄膜（<20 nm）。采用透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）分别测量了样品的截面和表面形貌。利用J.Wollam WVASE32椭偏仪在65°,70°,75°三个角度测量了样品在280-800 nm透明区内的SE光谱,步长为10 nm;J.Wollam M2000X-FB椭偏仪在65°测量了样品在200-800 nm的SE光谱,步长为1.55 nm。TEM和AFM的测量结果表明ZrO₂薄膜与衬底之间存在界面层,表面存在粗糙层。考虑到界面层的光学常数较难获取,故采用Si/等效ZrO₂/air的三相光学模型来分析样品的椭偏响应。其中等效ZrO₂层代表了来自界面层和ZrO₂薄膜共有的贡献。先将透明区内的SE光谱用柯西色散模型拟合,获取了各样品的厚度。此时三相模型下的光学响应（Ψ和⊿）仅是等效层光学常数（ε₁和ε₂）的函数,故用点对点方法从中解出每个波长下的ε₁和ε₂。典型的ε₂光谱如图1所示,在3-6eV的测量范围内,等效层的吸收来自于两部分:接近6 eV的ZrO₂带边吸收和低于5 eV的若干个吸收峰（3.26,4.13,4.28,4.43,and 4.77 eV）。这些吸收峰随着等效ZrO₂层的厚度变化如图2所示。对于较薄的样品,4.28 eV可被认为是来自Si衬底的critical point吸收,而其余吸收峰均来自于界面电子缺陷态。当厚度增大时4.15 eV和4.46 eV附近出现了展宽的吸收峰,根据文献报道来自于ZrO₂。这些电子缺陷态随着厚度的变化说明:在ZrO₂早期生长阶段（<10 nm）,界面层缺陷占主导作用;当生成稳定的无定形相ZrO₂（>10 nm）,时,主要缺陷来自其自身。这一结果表明,可通过改变ZrO₂超薄膜的尺寸来获取不同的带隙和电子缺陷态,从而使其在栅极绝缘和电荷俘获中的器件运用中达到最佳效果。更多还原