氧化铪在半导体器件中地应用和发展.ppt

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1、一、绪论信息技术的高速发展和广泛应用改变了传统的生产、经营、管理和生活方式，对人类社会各方面都带来了深刻的影响。目前美国、日本等发达国家信息产业的产值已经超过传统的机械制造业而成为国家的第一大产业。对于我国，国家信息化测评中心2002年3月19日公布的研究报告指出，近10年来，我国信息产业年均增长速度超过32％，高于同期全部工业年均增长速度近18个百分点，是40个工业行业中发展最快的。2001年，信息产业的销售收入已经突破12000亿元人民币大关，占全国工业的比重为8％，已经成为中国工业第一支柱产业。我们国家已经拉开了信息社会的序幕。微电子产业的核心是

2、CMOS集成电路，其发展水平通常标志着整个微电子技术工业的发展水平。集成电路的发展一直遵循着1965年Intel公司创始人之一G.E.Moore(G.E.摩尔)预言的集成电路产业发展规律。集成电路产业经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、特大规模（ULSI）的发展历程。IC芯片的特征尺寸（晶体管沟道长度，也是集成电路上金属层的最小分辨尺寸，即金属线宽，所以这个特征尺度也称之为线宽）已经从1978年的10μm发展到现在的0.13μm，集成度从1971年的1KDRAM发展到现在的8GDRAM；硅片直径也逐渐的由2

3、英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸过渡到12英寸。随着金属氧化物半导体（MOS）器件尺寸的缩小，栅极漏电急剧增加，导致器件不能正常工作。为了降低超薄栅介质MOS器件的栅极漏电，需采用高介电常数（高k）栅介质代替SiO2。铪（Hf）系氧化物和氮氧化物由于具有高的k值，好的热稳定性，成为当前高k栅介质的研究热点。理论方面，现有高k栅介质MOS器件隧穿电流解析模型主要用于1V以上的区域，拟合参数较多；实验方面，Hf系氧化物的预处理工艺研究较少；HfTi氧化物和氮氧化物研究主要集中于HfTiO材料、Ti的含量、材料的微结构等方面，对于HfTiO等和Si接触的

4、界面特性研究较少。二、MOS器件按比例缩小和使用高k栅介质的必要性1、器件缩小的必要性：过去40年中CMOS技术已经成为半导体工业的支柱，同时也更进一步促使半导体工业的成功。1956年到1996年半导体工业平均增长速率是17％，而其他工业均增长只有8％。一个技术要成功必须要三个条件：（1）必须提供一个快速提高的产品性能；（2）新产品价格必须尽量降低以便开拓潜在的消费群体；（3）必须具有新的应用潜力，能够发展新的应用领域。CMOS器件尺寸的减少能够帮助半导体工业达到这个目标。MOS管栅极尺寸的减少导致电路开关更快。这样大大扩展了半导体产品的应用范围，提高

5、了产品的性能。晶体管尺寸减少允许更多的晶体管被集成在一个芯片上，因此，当保持电路制造成本较低时，集成电路的复杂性和拥有的各项功能也得到了很大的提升。加上使用更大直径的硅片，芯片成本也大大降低。MOS器件尺寸缩小符合等比例缩小规律。根据这一规律，器件在水平和垂直方向上的参数（例如沟道长度L、宽度W、栅介质层厚度tox和源漏结深Xj等）以及电压等均按同一个比例因子Γ等比例缩小，同时衬底掺杂浓度Nb则按该因子增大Γ倍。这时器件内部电场保持不变。由于内部电场保持不变，因此不会出现迁移率降低、碰撞电离、热载流子效应等高电场效应。实际上，在MOS器件尺寸等比缩小进

6、程中，电源电压并没有按相同比例同步减小，这使得器件内部电场增强。当MOS器件栅介质厚度下降到2nm左右时，栅极泄漏电流增加，器件无法正常工作。同时，当MOS晶体管沟道长度缩小到0.1μm以下时，沟道电场强度将会超过1MV/cm。当沟道长度进一步缩小到nm尺度，电场会进一步增大，强电场下的量子效应将对器件性能带来影响，包括引起阈值电压变化、反型层量子化造成有效栅电容下降和pn结漏电流增大和迁移率下降等。2、使用高k栅介质的必要性：硅基微电子工业发展如此成功的一个关键因素是，到目前为止我们一直使用的栅极介质材料SiO2有优异的材料和电性能。这个材料实际上表

7、现出了作为栅极绝缘材料的几个重要性质：（1）非晶态的SiO2能热生长在硅衬底上，能精确控制厚度和均匀性，能和硅衬底形成一个低缺陷密度、很稳定的界面层。同时，这些在SiO2/Si界面的缺陷态和悬挂键能在有氢的气氛中进行后退火钝化。（2）SiO2表现出优异的热稳定性和化学稳定性，这是制造晶体管所必须的，因为退火和氧化一般都是在高温下进行（10000C以上）。（3）SiO2带隙很宽（9eV）,和Si相比有大的导带和价带偏移量，因此，它有很优异的绝缘性能，击穿电场达到13MV/cm。这些性质决定了SiO2作为MOSFET栅极绝缘材料是很好的。但是当SiO2厚度

8、低于3nm时，由于量子隧道效应，载流子能流过这个超薄栅介质。由WKB近似可知，隧穿几率随着Si