高K栅介质材料的研究进展.doc

高 K 栅介质材料的研究进展摘要：对于纳米线宽的集成电路, 需要高介电常数( 高k) 的栅极介质材料代替二氧化硅以保持一定的物理厚度和优良的漏电性能. 这些栅极候选材料必须有较高的介电常数, 合适的禁带宽度, 与硅衬底间有良好界面和高热稳定性. 此外, 其制备加工技术最好能与现行的硅集成电路工艺相兼容. 本文阐述了选择高k 栅介质材料的基本原则, 介绍了典型高k 栅介质材料性能, 并展现了引入高k 栅介质材料存在的问题.关键词: 高 k 栅介质 金属氧化物 HfO2 1.传统晶体管结构及瓶颈20世纪 80年代以来，CMOS 集成电路的快速发展大大促进了硅基微电子工业的发展，使其在市场的份额越来越大而 CMOS集成电路的快速发展又是得益于其电路基本单元——场效应管尺寸的缩小场效应管尺寸缩小的关键因素就是作为栅介质层的二氧化硅（SiO2）膜厚的减小二氧化硅的作用是隔离栅极和硅通道作为栅介质层，二氧化硅有很多优点，如热和电学稳定性好，与硅的界面质量很好以及很好的电隔离性能等但是随着器件尺寸的不断缩小，二氧化硅的厚度被要求减到 2nm以下，随之产生了许多问题例如：1、漏电流的增加，对于低功率器件，这将是不能忍受的，而事实上，现在低功率器件的市场需求却越来越大 2、杂质扩散。

栅极、二氧化硅和硅衬底之间存在杂质的浓度梯度，所以杂质会从栅极中扩散到硅衬底中或者固定在二氧化硅中，这会影响器件的阈值电压，从而影响器件的性能当二氧化硅 的厚度减小时，杂质就更容易从栅极中扩散到硅衬底中所以，有必要寻求一种新的栅介质层来替代二氧化硅从以上两个存在的问题可以看出，为了减小漏电流和降低杂质扩散，最直观的方法就是增加栅介质层的厚度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，而且介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，因此我们引入了高 K介质2.高k 栅介质材料要求( 1) 高介电常数k.高介电常数k 能维持驱动电流, 减小漏电流密度.( 2) 较大的禁带宽度.( 3) 与Si 导带间的偏差大于1eV.( 4) 在Si 衬底上有良好的热力学稳定性, 生产工艺过程中尽量不与Si 发生反应, 并且相互之间扩散要小.( 5) 与Si 界面质量应较好.新型栅介质材料与Si 之间的界面, 界面态密度和缺陷密度要低, 尽量接近于SiO2 与Si 之间的界面质量, 以削弱界面电子俘获和载流子迁移率降低造成的影响 6) 非晶态结构.非晶结构栅介质材料是各向同性的, 不存在晶粒间界引起漏电流增大的现象,且较容易制备, 是新型栅介质材料的理想结构。

3 高k 材料的选择最有希望取代SiO2 栅介质的高k 材料主要有两大类: 氮化物和金属氧化物.3.1 氮化物氮化物主要包括Si3N4, SiON 等.Si3N4 介电常数比SiO2 高, 作栅介质时漏电流比SiO2 小几个数量级, Si3N4 和Si 的界面状态良好 , 不存在过渡层.但Si3N4 具有难以克服的硬度和脆性, 在硅基片上的界面态密度为1.2×1012eV- 1cm- 2, 因此Si3N4 并非理想的栅介质材料.超薄SiOxNy 可代替SiO2 作为栅介质, 这主要是由于SiOxNy 的介电常数比SiO2 要高, 在相同的等效栅氧化层厚度下, SiOxNy 的物理厚度大于SiO2, 漏电流有所降低 .在SiO2- Si 界面附近含有少量的氮, 这可以降低由热电子引起的界面退化, 而且氮可以阻挡硼的扩散. 东芝公司2004 年采用SiON 作为栅介质, 多晶硅为栅极, 试制成功等效氧化层厚度( EOT) 为1nm 的符合22nm 工艺要求的晶体管, 预计2016 年量产.但SiOxNy 栅介质存在电离杂质和库仑散射等问题, 会导致载流子迁移率减小3.2用作栅介质材料的金属氧化物主要有3 类: ⅢA 族金属氧化物、ⅢB 族金属氧化物、ⅣB 族金属氧化物.3.2.1 ⅢA 族金属氧化物主要是包括Al2O5, TiO2, Ta2O5. Al2O5禁带宽度(8.8eV)与SiO2接近, 导带偏移量高2.8eV, 与Si 接触时有较好的热力学稳定性,可形成稳定的界面层.但它的k 值过低, 仅为8.7,固定电荷密度、界面陷阱密度高, 漏电流、阈值电压偏移量过大, 并且存在Al 向Si 衬底的扩散.而等效电场为1MV/cm 的条件下采用Al2O5 作为栅介质的MOSFET 的迁移率只有SiO2 栅介质的一半.这些性质严重限制了Al2O5作为栅介质的应用. 若能找到既能提高Al2O5 的介电常数, 掺入后又不减小Al2O5的带隙宽度及与Si 的能带补偿的物质, 那对Al2O5作为栅介质的应用将会有一个新的推进.TiO2和Ta2O5具有很高的介电常数, 制备技术成熟, 在离散电容以及集成储存电容等领域得到了非常成功的应用.但其禁带宽度不足不足SiO2 的二分之一, 而且Ta2O5的导带偏移量仅为0.38eV.而较小的导带偏移量不仅导致栅极直接隧穿电流增大,而且会引起流向栅绝缘体的热载流子浓度加大.TiO2 禁带宽度小, 不足SiO5 的1/2, 其理论结晶温度低, 400℃即结晶, 远低于MOS 后续处理温度.Ti—O 结构材料会因为氧不足导致氧空位浓度过高而形成载流子陷阱和漏电流通道, 而过高的k( 80) 导致二维边缘电场效应, 降低源的势垒高度和阈值电压.3.2.2 ⅢB 族金属氧化物ⅢB 族氧化物通常具有较高的介电常数, 因此被认为可以作为CMOS 器件绝缘层材料SiO2的替代材料.具有稳定电子组态的稀土氧化物( La, Gd 和Lu) 的禁带宽度也最大( Eg～5.5eV) . 利用分子束外延技术在Si 衬底上生长Pr2O5 薄膜和Gd2O5 薄膜, 可得到结构缺陷少,界面态低的界面.La2O5 的导带偏移量大. 与其他氧化物相比, 稀土氧化物的吸湿性以及对有机物的吸附性是面临的首要问题.La2O3 吸水后先生成氢化物, 后形成氢氧化物; La2O5 暴露于CO2 中易生成碳酸镧表面层.这些氢化物, 氢氧化物和碳酸盐都具有低介电常数, 导致稀土氧化物薄膜介电常数实验值小于理论值[.稀土氧化物的另一问题是其对O2 的催化作用. 稀土氧化物薄膜在后续退火处理过程或放置于空气中时, 极易将O2 分解为原子O, 导致稀土氧化物与Si 衬底间形成SiOx 或Si 基化合物, 从而形成复杂的界面态.3.2.3ⅣB 族金属氧化物.典型过渡金属氧化物的介电常数均在20 以上, 其中HfO2 和ZrO2等过渡金属氧化物是近年来研究最为深入的栅介质材料.它们的禁带宽度( 4.7～6eV) 以及与Si 间的导带偏移量( 0.8～1.6eV) 都满足对于下一代高k 栅介质材料的要求.HfO22和ZrO2的性能相似. 是目前较少的能与多晶Si 栅兼容的高 k 材料, 它们与Si 间的热力学稳定性优于TiO2 和Ta2O5.ZrO2/Si 导带偏移量为0.8～1.4eV, 较小的导带偏移量不仅导致栅极直接隧穿电流增大, 而且会引起流向栅绝缘体的热载流子浓度加大.HfO2 与ZrO2具有相似的电子结构, 然而由于与TiO2和ZrO2相比具有相对较弱的离子键特性, 因此其导带偏移量较大.HfO2导带偏移量为1.3～1.5eV, 介电常数为21, 禁带宽度为5.7eV.实验表明, ZrO2与其他Zr 基氧化物与MOSFET 技术中其他材料间的兼容性较差, 且与多晶硅栅极间存在严重的化学反映, 它们的应用前景不如HfO2 及Hf 基高k 氧化物材料。

4高k 材料替代SiO2 带来的技术问题高k 介质器件的门限电压可能迅速窜升到较高位; 芯片运行升温后, 晶体管门限电压出现不可预测幅摆等.( 1) 高k 介质材料与 Si 的界面存在界面态.界面态能引发费米钉扎效应( Fermi Pinning Effect) ,金属栅的费米能级被钉扎Si 禁带中央附近, 使得各种金属栅电极功函数均被钉扎在4.6eV 附近, 产生栅电压阈值漂移, 无法实现双金属栅MOS 器件所要求的阈值电压值.( 2) 高k 栅介质载流子迁移率下降, 难以获得好的电流输运特性.高k 栅介质MOSFET 器件中普遍存在沟道载流子迁移率显著下降的问题所涉及的主要物理机制尚不清楚, 有待进一步研究.因此,深入研究和掌握引起高k 栅CMOS 器件性能下降的各种物理机制, 提出合适的技术解决方案是非常重要的研究课题.( 3) 高k 栅介质与Si 衬底的界面热稳定性差.( 4) 如何进一步降低等效氧化物厚度、漏电流的问题.( 5) 杂质的扩散问题.栅极中的杂质由于浓度梯度会扩散到高介电质或者衬底, 从而影响平带电压和阈值电压.( 6) 金属栅/ 高k 栅介质的可靠性问题结语：引入高K介质拥有更多的优越性，但是相应地就要求了更高的技术水平，今后我们仍然要密切关注引入高K介质带来的诸多挑战，有必要对材料的电学特性和可靠性进行深入探究，做更全面、细致的探究。

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