近日，我院龙世兵教授课题组在ZrO₂介质电容器原子层沉积 (ALD) 制备研究方面取得了新的进展。近年来DRAM特征尺寸逐步微缩，保持电容器的高电容值和低漏电的需求日益紧迫，对 high-k低漏电介质材料的制备要求日益增高，高性能电容器制备成为阻碍 DRAM 技术更进一步的关键问题。本工作提出了一种全新的“短脉冲 - 高通氧量”的ALD生长方式，调控介质中锆氧比例，提高了介质 k 值，同时降低了漏电。相关成果以“Oxidizer Engineering of ALD for Efficient Production of ZrO₂ Capacitors in DRAM”为题发表于电子器件领域知名期刊 IEEE Electron Device Letters。
DRAM电容器介质材料等效氧化物厚度（EOT）逐步微缩，给介质生长带来了挑战。这项研究系统地控制了介电薄膜ALD生长过程中的氧化剂 (O₃) 通量，发现高氧通量可以补偿短脉冲时间带来的负面影响。这种“短脉冲 - 高通氧量”方法可以实现高 k (~47)、低漏电 (2 × 10⁻⁸ A/cm²，DRAM 工作电压约为 0.5 V) 电容器的制备，有效降低了器件EOT (~0.55 nm)，同时减少了 ALD 生长介质循环周期时间，提高了DRAM生产效率。与其他报道中锆基器件性能的对比见图1。
图1. （a）J@V=0.5 V与EOT的关系图，对比了本工作与其他报告中的锆基器件性能。值得注意的是，本工作最低EOT可达 0.55 nm，在其中性能最优。（b）ALD循环时间与 k 值报道的关系图，显示出“短脉冲 - 高通氧量”方法的优越性。
高分辨率透射电子显微镜测试结果以及分析揭示了 k 值升高以及漏电降低的机制。从图2中可见，随着氧通量的升高，介质结晶程度升高，k 值随之提升；与此同时，结晶程度的提升使得晶界数量减少，从而改善了器件的漏电。
图2. 高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 下6 nm ZrO₂薄膜器件横截面的图像。1k (a) 和 10k (b) sccm氧通量，显示了非晶态(c，绿色区域)和结晶态(d，粉红色区域) 部分。对不同氧通量样品进行结晶程度的统计，可以看到高氧通量样品结晶程度高(e)，且晶界数量较少(f)。
我院博士生唐心怡为论文第一作者，学院特任教授吕頔和执行院长龙世兵教授为论文通讯作者。此项研究工作得到了国家自然科学基金委区域联合基金项目（U20A20207）的资助，也得到了中国科大微纳研究与制造中心的支持。
文章链接：DOI: 10.1109/LED.2024.3455338
https://ieeexplore.ieee.org/document/10669047
