Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

INVESTIGATION OF LEAKAGE CURRENT MECHANISMS IN COMPOSITE NANOMATERIALS BASED ON TA2O5/TIO2 MULTILAYER FILM STRUCTURES

Plotnikov V.V. 1 Drozdovskiy A.V. 1 Shishmakova G.A. 2
1 Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"
2 Ferrite Domen Co.
Методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе были синтезированы плёнки Ta2O5 (оксид тантала), TiO2 (оксид титана) и гетероструктуры Ta2O5/TiO2. На все плёнки тем же методом были осаждены металлические электроды для создания плёночных конденсаторов. По данным спектроскопии были найдены оптические характеристики плёнок: показатель преломления, n ~ 2.2; коэффициент пропускания, T ~ 70%; ширина оптической щели, E ~ 4.2 эВ. По измерениям вольт-фарадных характеристик были найдены значения диэлектрической проницаемости, ε ~ 32 (для TiO2), 25 (для Ta2O5) и 30 (для Ta2O5/TiO2). По измерениям вольтамперных характеристик были найдены значения электрической прочности (напряжения пробоя), Ebd ~ 2 МВ/см и плотности токов утечки при нулевом смещении, J ~ 10-9 А/см2. Проведен анализ вольтамперных характеристик в температурном диапазоне (ВАХТ) на выявление природы токов утечки в диэлектриках. Были обнаружены следующие механизмы проводимости, формирующие токи утечки в диэлектриках: эмиссия Шоттки, полевая эмиссия с ловушек, туннелирование Фаулера-Нордгейма. Также было обнаружено и проанализировано влияние нагрева на токи утечки в диэлектриках. Были рассчитаны значения энергии активации, ω ~ 0.39 эВ и глубины залегания ловушек, φt ~ 0.36 эВ.
DC reactive magnetron sputtered Ta2O5 (tantalum oxide), TiO2 (titanium oxide) thin films and Ta2O5/TiO2 heterostructures were systematically studied on leakage current mechanisms. Shottky emission, field emission and Fowler-Nordheim tunneling were identified as dominant mechanisms for Ta2O5/TiO2 capacitors. Temperature-dependent current-voltage characteristics suggest thermionic activation of charge carries from Ta2O5/TiO2 hope levels that’s why was observed increasing of leakage current densities with heat treatment. By spectroscopic measurements were found Ta2O5/TiO2 optical properties: refractive index, n ~ 2.2; transmission coefficient, T ~ 70%; optical bandgap, Ebg ~ 4.2 eV. By capacitance-voltage and current-voltage measurements were found Ta2O5/TiO2 dielectric properties: dielectric constant, k ~ 32 for TiO2, 25 for Ta2O5 and 30 for Ta2O5/TiO2; dielectric strength (also known as breakdown voltage), Ebd ~ 2 MV/cm; leakage current density at zero bias, J ~ 10-9 A/cm2.
high-k dielectric
magnetron sputtering
titanium oxide
tantalum oxide

Введение

Начиная со времён привлечения высоко диэлектрических материалов в технологию создания КМОП-транзисторов (70-80 гг. XX в.) и по сей день является актуальным исследование электрофизических свойств и технологий осаждения плёнок Ta2O5. Интерес к плёнкам Ta2O5 был вызван в связи с возможностью замены широко известного оксида кремния в качестве подзатворного диэлектрика МОП-структур. На сегодняшний день не пропал интерес попыток применения таких плёнок в качестве диэлектрических слоёв плёночных конденсаторов для изготовления ячеек оперативной памяти, изолирующих слоёв полевых транзисторов. Возрос интерес использования как чистой плёнки Ta2O5, так и двухслойной структуры Ta2O5/TiO2 в качестве биполярного транзистора в будущем поколении резистивной памяти [5].

Цель исследования

Анализ механизмов проводимости в плёночных конденсаторах с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 посредством снятия вольтамперных характеристик в температурном диапазоне (ВАХТ) от 300­ до 400 К.

Материал и методы исследования

Аморфные оксидные плёночные структуры с одиночными слоями Ta2O5, TiO2 и гетероструктуры Ta2O5/TiO2 были осаждены на металлические подложки и кварц методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе в двухкомпонентной газовой среде (Ar + O2). На все структуры методом магнетронного распыления были нанесены металлические электроды площадью S = 0.44 см2. Для гетероструктур Ta2O5/TiO2 по данным спектроскопии в видимом диапазоне длин волн были найдены n ~ 2.2, T ~ 70%; по данным спектроскопии в ультрафиолетовой области была найдена ширина оптической щели E ~ 4.2 эВ. Оптические константы во всех случаях соответствовали стехиометричности Ta2O5 и TiO2. С помощью стенда для измерения вольт-фарадных характеристик были найдены значения ɛ ~ 32 для TiO2, 25 для Ta2O5 и 30 для Ta2O5/TiO2 (при стандартной частоте измерения 1 МГц). С помощью стенда для измерения ВАХТ были найдены значения ~ 2 МВ/см и J ~ 10-9 А/см2.

Результаты исследования и их обсуждение

Механизмы проводимости. Природа токов утечки является ключевым вопросом в изучении электропроводности диэлектрических слоёв. Из полученных ВАХ плёночных конденсаторов, построенных в соответствующих координатах, можно судить о некоторых механизмах проводимости, обуславливающих токи утечки. Обнаружение этих механизмов проводимости в некоторой степени объясняет физическую суть зависимости токов утечки от внешнего воздействия (приложенного напряжения, нагрева или охлаждения и т.д.) [3].

ВАХТ конденсатора с гетерструктурой Ta2O5/TiO2. ВАХТ осаждённых образцов, содержащих гетероструктуру Ta2O5/TiO2 приведены на рис. 1.

Следует отметить экспоненциальный характер прямых ветвей ВАХТ полученных образцов, что в свою очередь говорит об отсутствии омической проводимости и свидетельствует о хорошем качестве диэлектрических слоёв. Из рисунка так же видно, что нагрев образцов при снятии ВАХ приводит к увеличению плотностей тока утечки во всём диапазоне прикладываемых напряжений, что может быть связано с тепловым возбуждением носителей заряда.

Рис. 1. ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2, измеренные при температуре: ● – 300 К, ■ – 325 К, ▲ – 350 К, ♦ – 375 К, ▬ – 400 К.

Если учесть тепловое возбуждение носителей заряда, то вероятность такого процесса пропорциональна . Величина ω является энергией активации процесса возбуждения. Очевидно, что выражение, которое отразит влияние нагрева на увеличение тока в образцах плёночных структур только за счет возбуждения носителей в зону проводимости, имеет характер

. (1)

Для выявления этого процесса линейная аппроксимация ВАХ строится в системе координат Аррениуса. Таким образом, получается зависимость вида ln J от [1]. Значение энергии активации ω для гетероструктуры Ta2O5/TiO2, полученное из аппроксимации ВАХТ в координатах Аррениуса, равно примерно 0.39 эВ. Так как энергия теплового возбуждения носителей не превышает 1 эВ, можно сделать суждение о том, что в запрещённой зоне обоих оксидов ( имеет порядки 3 и 4.2 эВ для TiO2 и Ta2O5, соответственно) имеются занятые уровни. Эти уровни, наиболее вероятно, созданы вакансиями по кислороду. Вакансии заряжаются положительно и ведут себя как доноры.

Эмиссия Шоттки. Тепловой выброс электронов из нагретого металла называется термоэлектронной эмиссией. Эмиссия электронов из металлического контакта в вакуум или в зону проводимости диэлектрика посредством их термического переброса через потенциальный барьер при наличии электрического поля называется эмиссией Шоттки. Ток, подчиняющийся механизму Шоттки, может быть выражен через уравнение Ричардсона-Дэшмана [2]:

, . (2)

В выражении (2) приняты следующие обозначения: J – плотность тока; T – абсолютная температура; k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона; E – напряжённость электрического поля; – электрическая постоянная; – динамическая диэлектрическая проницаемость; – константа Ричардсона и – высота барьера. Для выявления этого механизма проводимости выражение (2) записывают в виде

(3)

Рис. 2. ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах Шоттки, измеренные при температуре: ● – 300 К, ■ – 325 К, ▲ – 350 К, ♦ – 375 К, ▬ – 400 К.

с тем учётом, что ток является функцией от поля и больше ни от чего не зависит, а экспериментальные результаты графически представляют в системе координат ln J от . В случае, если экспериментальные точки в новой системе координат хорошо аппроксимируются линейной зависимостью, можно допустить, что проводимость диэлектрика обусловлена эмиссией Шоттки.

Во всех исследованных образцах был обнаружен механизм проводимости, подчиняющийся эмиссии Шоттки. На рис. 2 представлены ВАХТ образцов с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах Шоттки.

Туннелирование Фаулера-Нордгейма. ВАХ может быть удовлетворительно описана хорошо известным выражением Фаулера-Нордгейма. Это выражение описывает в общем случае ток полевой эмиссии из металла в вакуум:

, (4)

где ; ; – работа выхода эмиттера; e – элементарный положительный заряд; m – эффективная масса электрона; h – постоянная Планка и . Выражение (4) является уравнением Фаулера-Нордгейма в элементарной форме, предполагая простой треугольный потенциальный барьер для туннелирования вызванных полем эмитированных электронов, пренебрегая некоторыми второстепенными эффектами. Из (4) очевидно

. (5)

Тем не менее, более качественное решение показывает, что если участвует барьер Шоттки, падение напряжения чаще всего происходит полностью на барьере и напряжённость электрического поля в выражениях (4) и (5) более тщательно должна быть рассчитана в соответствии с формулой

, (6)

где – концентрация доноров и – диэлектрическая проницаемость оксида. Таким образом, для выявления этого механизма проводимости выражение (5) записывают в виде

. (7)

с тем учётом, что ток является функцией от поля и больше ни от чего не зависит, а экспериментальные результаты графически представляют в системе координат от . В случае, если экспериментальные точки в новой системе координат хорошо аппроксимируются линейной зависимостью, можно допустить, что проводимость диэлектрика обусловлена туннелированием Фаулера-Нордгейма.

Во всех исследованных образцах был обнаружен механизм проводимости, подчиняющийся туннелированию Фаулера-Нордгейма. На рис. 3 представлены ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах Фаулера-Нордгейма.

Рис. 3. ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах Фаулера-Нордгейма, измеренные при температуре: ● – 300 К, ■ – 325 К, ▲ – 350 К, ♦ – 375 К, ▬ – 400 К.

Полевая эмиссия с ловушек. При больших полях или нагреве при снятии ВАХ эффект Пула-Френкеля трансформируется в ловушечное туннелирование через треугольный барьер (также известно, как полевая эмиссия с ловушек). Ток утечки, подчинённый этому механизму проводимости, может быть описан следующим выражением:

, (8)

где и – эффективная масса электрона в оксиде. Явление полевой эмиссии с ловушек может быть представлено при построении ВАХ в так называемых координатах полевой эмиссии, а результаты линейных аппроксимаций представляются в системе координат от . По сути, выражение, описывающее процесс полевой эмиссии с ловушек подобно хорошо известному туннелированнию Фаулера-Нордгейма, за исключением того, что в полевой эмиссии с ловушек стоит вместо [4].

Во всех исследованных образцах был обнаружен механизм проводимости, подчиняющийся полевой эмиссии с ловушек. На рис. 4 представлены ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах полевой эмиссии.

При анализе линейных аппроксимаций ВАХТ в координатах полевой эмиссии из выражения (8) были рассчитаны значения глубины залегания ловушек ~ 0.36 эВ, что коррелирует с данными, полученными при анализе ВАХТ в координатах Аррениуса.

 

Рис. 4. ВАХТ конденсатора с гетероструктурой Ta2O5/TiO2 в координатах полевой эмиссии, измеренные при температуре: ● – 300 К, ■ – 325 К, ▲ – 350 К, ♦ – 375 К, ▬ – 400 К.

Заключение

В данной работе были рассмотрены механизмы формирования токов утечки в плёночных конденсаторах с гетероструктурой Ta2O5/TiO2.

Было обнаружено, что токи утечки в плёночных конденсаторах с учётом нагрева вызваны за счёт таких механизмов проводимости, как эмиссия Шоттки, полевая эмиссия с ловушек и туннелирование Фаулера-Нордгейма и за счёт теплового возбуждения носителей заряда с ловушечных уровней.

Были рассчитаны значения энергии активации процесса теплового возбуждения носителей заряда ω ~ 0.39 эВ (из линейных аппроксимаций ВАХТ в координатах Аррениуса) и глубины залегания ловушек ~ 0.36 эВ (из линейных аппроксимаций ВАХТ в координатах полевой эмиссии). Таким образом, существенное увеличение токов утечки при нагреве плёночных конденсаторов главным образом обусловлено тепловым возбуждением носителей заряда с ловушечных уровней во всём диапазоне прикладываемых напряжений в процессе снятия ВАХ.

В связи с вышесказанным, можно сделать вывод о том, что следует уделять внимание исследованию не только электрических и ёмкостных характеристик высоко диэлектрических материалов с целью интеграции последних в качестве элементов будущего поколения резистивных видов оперативных запоминающих устройств, но и влиянию нагрева в диапазоне рабочих температур конечных устройств.

Работа выполнена при поддержке гранта «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

Рецензенты:

Баранов И.В., д.т.н., профессор, заместитель директора Института холода и биотехнологий ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», зав. кафедрой «Физика ИХиБТ», г.Санкт-Петербург.

Мироненко И.Г., д.т.н., профессор, профессор кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры, ФБГОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова-Ленина (СПбГЭТУ)», г.Санкт-Петербург.