高K介质技术介绍1.doc

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 3 nm，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500 e 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，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 -quipment oxide thickness)、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 ( < 2 eV) 一般远小于 SiO2 ( > 3 eV) , 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。
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。
3.2 Al2O3
Al2O3 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 Al2O3 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 Al2O3 作为栅介质的应用。若能找到既能提高 Al2O3 的介电常数，掺入后又不减小 Al2O3的带隙宽度及与 Si 的能带补偿的物质，那对 Al2O3作为栅介质的应用将会有一个新的推进。
3.3 稀土氧化物
稀土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 Pr2O3 薄膜和 Gd2O3 薄膜，可得到结构缺陷少，界面态低的界面.La2O3 的导带偏移量大。
3.4 过渡金属氧化物
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。HfO2 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。
.HfO2 的主要优点：( 1) 介电常数高，为21，等效氧化物厚度较小。HfO2 价带顶部能级位置主要由氧原子O2Px 态来决定的。HfO2 含有未填满的5d壳层。 其壳层价态电子处于宽松的束缚态，极易受激发而跃迁至导带，因而, HfO2 的导带电子态主要是由 5d 反键态组成。这种能带结构是 HfO2 具有较高介电常数的原因；( 2) 与 Si 的导带偏移量较大 ( 1.5eV) 。较大的导带偏移量可以使栅极直接隧穿电流减小，并且降低流向栅绝缘体的热载流子浓度；( 3) 较宽的带隙 ( ～5.8eV)，与Si 的能带补偿较大；( 4) 较低的栅阈值电压。栅阈值电压 VTN=|Q's(max)|/Cox+VFB+2φfp，HfO2 由于具有高 k 值，在相同厚度条件下，HfO2 栅介质具有更高的电容 Cox，从而具有更低的阈值电压，而低阈值电压意味着快速开关特性，是晶体管高性能所需要的。HfO2 及 Hf 基高 k 氧化物材料是目前研究最多材料，从以上分析中也可以看出其是最具应用前景的材料。

4结束语
本文通过微电子技术的发展，分析了未来微电子技术存在的瓶颈，并针对微电子缩小特征尺寸这一发展方向所面临的挑战——隧穿导致的泄漏电流问题，以及由于氧化工艺很难控制极薄栅氧化层中的缺陷等问题，引出并讨论了高K介质这一主题。通过对这一问题的讨论，并比较了几种解决办法，并通过对HfO2 及 Hf 基高 k 氧化物材料的优势和特点的分析，得到了最具应用前景的材料的结论。

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