高K栅介质材料的研究进展

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1、高K栅介质材料的研究进展摘要：対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血•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HfO21.传统晶休管结构及瓶颈20批纪80年代以来，CMOS集成电路的快速发展

2、人人促进了硅基微电了工业的发展，使其在市场的份额越来越大。而CMOS集成电路的快速发展乂是得益于其电路基木单元——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(SI02)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

3、件的市场需求却越来越人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1佃影响器件的性能。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耍大，而且介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大

4、，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)较人的禁带宽度.(3)与Si导带间的偏差大于leV.(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，并相互之间扩散要小.(5)与Si界而质量应较好.新型栅介质材料与Si之间的界而，界而态密度和缺陷密度要低尽量接近于Si02与SiZ间的界面质虽，以削弱界面电了俘获和载流子迁移率降低造成的影响。(6)非品态结构.非品结构栅介质材料是各向同性的，不存在品粒间界

5、引起漏电流增大的现彖，一几较容易制备，是新型栅介质材料的理想结构。3高k材料的选择最冇希望取代Si02栅介质的高k材料主要冇两大类：氮化物和金属氧化物.3.1氮化物氮化物主要包括S13N4,SiON等.S13N4介电常数比Si02高，作栅介质时漏电流比Si02小几个数量级，Si3N4和Si的界而状态良好，不存在过渡层•但S13N4具有难以克服的硕度和脆性，在硅基片上的界而态密度为1.2X1012eV-lcm-2,因此Si3N4并非理想的栅介质材料•超薄SiOxNy可代替Si02作为栅介质，这主要是

6、由于SiOxNy的介电常数比Si02要高,在相同的等效栅氧化层厚度下,SiOxNy的物理厚度大于Si02,漏电流有所降低•在Si02-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年釆用SiON作为栅介质，多品硅为栅极，试制成功等效氧化层厚度（EOT）为lnm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耍有3类：IIIA族金属氧化物

7、、IIIB族金属氧化物、IVB族金属氧化物.3.2.1IIIA族金属氧化物主要是包括A1205,Ti02,T&205.A1205禁带宽度（8.8eV）ljSiO2接近，导带偏移屋高2.8eV,与Si接触时冇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&7,固定电荷密度、界面陷阱密度高，漏电流、阈值电压偏移量过人，并且存在A1向Si衬底的扩散•而等效电场为lMV/cm的条件下采用A1205作为栅介质的MOSFET的迁移率只有Si02栅介质的一半.这些性质严重限制了A1205作为栅介质

8、的应用.若能找到既能提高A1205的介电常数，掺入后又不减小A1205的带隙宽度及与Si的能带补偿的物质，那对A1205作为栅介质的应用将会有一个新的推进.Ti02和Ta205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.但具禁带宽度不足不足Si02的二分之一，而KTa205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R会引起流向栅绝缘体的热载流了浓度加大.Ti02禁带宽度小，不足Si05的1/2,其理论