高k介质技术介绍1

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1、高k介质技术1概述：从第一块晶体管诞生到现在，微电子经过了长达60多年的发展，发展速度惊人。在材料方面，第一代半导体技术以Si、Ge材料为代表的，紧接着开发出了化合物半导体，以砷化镓为代表。近年来又开发出了宽禁带半导体材料，如SiC、ZnSe等，称其为第三代半导体技术。在工艺方面，超细微加工技术日益完善，使生产达到了亚微米以上的更高的光刻技术。高质量的超薄氧化层、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属及其硅化物和浅欧姆接触、晶体完整性的大直径芯片、低温加工等一系列技术的发展，极大地提高了芯片的集成度。在今后的发展总，微电子技术主要有三个主要发

2、展方向：1.继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸；2.集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)；3.微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科。在增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸这个技术下，会遇到如下挑战：（1）继续增大晶圆尺寸技术（2）Sub-100nm光刻技术（3）互连线技术（4）新器件结构与新材料。在寻求新材料方面，主要有以下几个问题：SOI材料、应变硅、高K介质、金属栅电极。本文将就高K介质问题展开讨论，并最终得到自己的结论。2高K介质遇到的问题随着集成电路集成度的不断提高，MOS器件的特征尺寸进入到纳米领域时，随着器件特征尺寸的不断缩小

3、器件性能逐渐趋近与物理极限。因此，必须采用新的方法和新的技术提高器件的综合性能。为了获得良好的器件性能，栅氧化层厚度也要相应的缩小。对于纳米尺度的MOS器件，其栅氧化层厚度必须低于3nm，如此薄的氧化层会导致直接遂穿等一系列问题。所以，选取高k材料代替传统的SiO2层，可以提高栅氧化层的物理厚度，大大减小直接遂穿电流。高k材料因其大的介电常数，可实现在SiO2具有相同EOT的情况下，其实际厚度比SiO2大得多，从而解决了SiO2因接近厚度极限而产生的很多问题，成为代替SiO2的热门材料。但大多数高k材料是离子金属氧化物，这一基本材料特性导致高

4、k材料作为栅介质薄层时会引发很多不可靠问题。2.1高k材料的机遇与挑战高k材料要代替SiO2，除需具有高的k值外，还必须满足以下要求:(1)与体硅及栅电极之间是化学稳定的，而且至少在500e以下具有热稳定性，希望高k材料与体硅及栅电极之间不产生任何中间层；(2)与体硅之间要有良好的界面性质,较低的界面陷阱密度,以抑制表面迁移率退化；(3)低的氧化物陷阱密度以获得较少的电荷陷阱；(4)较大的带隙和导带带阶差以降低栅泄漏电流。高k材料因解决了SiO2由于接近厚度极限而产生的诸多问题，成为代替SiO2的热门材料。但高k材料因其基本材料特性、物理性能

5、，导致其作为栅介质薄层材料仍存在着很多问题，如高界面陷阱密度、高氧化物陷阱密度等。除此之外,高k材料还会造成电学性能损失。2.2高k的一些电学结果2.2.1漏电流随着SiO2接近其物理极限，漏电流(主要是直接隧穿电流)已经大到不能承受的程度。为了在超薄氧化物中减少漏电流，只能将用了40多年的iO2替换掉，使用具有等效氧化层厚度EOT(e-quipmentoxidethickness)、但物理上更厚的高k电介质。使用物理上更厚的高k电介质确实能将漏电流大幅度降低，然而，从电流传导特性来看，高k材料的绝缘性并非特别好。高k材料的导带带阶差(<2e

6、V)一般远小于SiO2(>3eV),而隧穿势垒又以指数形式严重影响直接隧穿电流，因此当高k材料厚度减薄到遂穿极限，并且加在氧化物上的电压超过势垒能量，漏电流可能会大幅度地增大。2.2.2沟道迁移率库仑散射、表面粗糙度和声子散射是影响沟道迁移率的三大散射机制。在高k/Si界面，沟道迁移率会大大降低。由于过渡金属--氧、过渡金属--Si通常比体硅的Si--Si有更长的键长，因而过渡金属氧化物/Si界面会有较大的粗糙度。另一方面，高k氧化物被认为是比SiO2具有更多的氧化物陷阱和更高的界面陷阱密度，所以相对SiO2库仑散射会更加明显。2.2.3电学

7、应力下缺陷的产生1969年首次发现了MOS--FET的电荷泵(CP)电流现象，即当脉冲加在MOSFET栅上时，衬底就可以接收到一股与源漏pn结反向漏电流方向相反的直流电流。随着高k电介质作为栅介质薄层材料受到越来越多的重视，CP技术成为研究栅叠层结构的常用方法。CP技术可以表征器件界面态密度和氧化层电荷，同时还可以测量界面态和氧化层电荷的空间分布、界面态的能量分布等。3解决方案：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。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

8、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