高K 栅介质研究进展 - 电路

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高 K 栅 介 质 研 究 进 展
赵 毅
摘 要 : 介 绍 了 国 内 外 对 高 K 栅 极 介 质 的 研 究 现 状 。 分 析 了 适 合 用 于 作 为 栅 极 介 质 的 高 介 电 常 数 材 料 的 种 类 ,
用 于 制 备 高 K 薄 膜 的 方 法 。 最 后 提 出 了 目 前 有 待 于 进 一 步 解 决 的 问 题
关 键 词 : 高 介 电 常 数 材 料 ; 栅 极 ; 介 电 层
中 图 分 类 号 :TP273 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1003-353X(2004)05-0016-04
1 引 言
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
[1]
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 的 主 要 问 题 有 :
(1) 漏 电 流 的 增 加 [2] 。 随 着 二 氧 化 硅 膜 厚 的 减 小 , 漏 电 流 就 会 增 加 。 对 于 低 功 率 器 件 , 这 将 是 不 能 忍 受 的 ,
而 且 事 实 上 , 现 在 低 功 率 器 件 的 市 场 需 求 越 来 越 大 [7] 。
(2) 杂 质 扩 散 [3] 。 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 , 从 而 可 以 更 好 地
减 小 漏 电 流 和 杂 质 扩 散 。
2 国 内 外 研 究 现 状
在 选 择 合 适 的 介 质 层 来 替 代 二 氧 化 硅 的 过 程 中 , 已 经 有 很 多 种 材 料 被 用 来 尝 试 , 主 要 如 表 1 所 示 ( 为 了 便
于 比 较 ,SiO2 也 列 在 其 中 )。 从 表 中 可 以 看 出 , 主 要 是 两 大 类 金 属 氧 化 物 即 ⅢA 族 和 ⅢB 族 的 金 属 氧 化 物 ;
ⅥB 族 的 金 属 氧 化 物 。 下 面 分 别 就 对 这 两 类 金 属 氧 化 物 的 研 究 现 状 作 一 阐 述 。
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2.1 ⅢA 族 和 ⅢB 族 的 金 属 氧 化 物
该 族 中 氧 化 物 主 要 有 Al2O3 ,Y 2O3,La2O3 等 。 其 中 对 Al2O3 的 研 究 最 为 广 泛 和 深 入 。Al2O3 具 有 非 常 好 的 稳 定 性 和
机 械 强 度 。 而 且 作 为 栅 介 质 层 , 它 又 有 很 多 优 点 , 如 它 有 很 大 的 禁 带 宽 度 , 在 高 温 下 的 热 稳 定 性 相 当 好 等 。
但 是 Al2O3 的 介 电 常 数 只 有 8~10, 所 以 只 能 用 来 解 决 短 期 的 工 业 需 求 。 然 而 工 业 上 的 要 求 是 够 用 即 可 , 故
Al2O3 虽 然 是 短 期 的 却 是 非 常 实 用 和 合 适 的 选 择 。
Al2O3 的 热 稳 定 性 虽 然 非 常 好 , 但 是 由 于 一 般 它 是 非 平 衡 状 态 下 沉 积 的 , 所 以 就 可 能 会 有 副 反 应 发 生 。Klein [4]
等 人 研 究 了 在 低 温 下 (400℃) 用 CVD 法 沉 积 的 Al2O 3膜 的 特 性 。 结 果 表 明 , 在 硅 与 Al2O 3之 间 形 成 了 一 层 AlSixOy
化 合 物 ( 图 1)。Gusev [5] 等 人 研 究 了 Atomic Layer CVD (ALCVD) 法 沉 积 的 Al2O 3薄 膜 的 物 理 和 电 学 性 能 。
由 此 可 以 更 好 地 理 解 Al2O 3和 硅 之 间 界 面 形 成 的 机 理 。 他 们 用 ALCVD 法 沉 积 的 Al2O 3膜 却 没 有 发 现 AlSixO y过 渡
层 的 形 成 。 这 一 结 果 表 明 , 界 面 层 的 形 成 是 可 以 控 制 的 , 至 少 在 他 们 的 反 应 条 件 下 是 可 以 控 制 的 。
Chin [6] 等 人 制 备 了 Teq( 等 效 厚 度 )=2.1nm 的 Al2O3 栅 极 MOSFET, 测 试 结 果 表 明 它 具 有 相 当 低 的 漏 电 流 。 当 Vg=
1V 时 ,Ileak≈10 -8 A/cm 2 , 而 用 相 同 Teq 的 二 氧 化 硅 制 备 的 MOSFET 的 漏 电 流 约 为 10 -1 A/cm 2 。
Park [7] 等 人 的 研 究 表 明 ,Al2O3 栅 极 MOSFET 存 在 严 重 的 硼 扩 散 现 象 。 经 过 800~900℃ 热 处 理 后 , 平 带 电 压 的
偏 移 量 (ΔVFB) 达 到 1.5V,SIMS 分 析 亦 显 示 , 一 定 量 的 硼 已 经 扩 散 到 了 硅 衬 底 中 。 然 后 , 他 们 在 沉 积 Al 2O3
之 前 先 注 入 NO 层 , 形 成 栅 /Al2O3/NO/ 硅 衬 底 结 构 , 该 结 构 的 Δ VFB 只 有 90mV。
在 另 外 的 研 究 中 ,Lee [8]
等 人 发 现 P 可 以 从 n + 的 多 晶 硅 栅 极 扩 散 到 Al2O3, 并 且 固 定 在 Al2O3 中 , 成 为 固 定 电 荷 。
他 们 认 为 这 是 由 于 P 破 坏 了 Al2O3 的 网 络 结 构 , 造 成 了 Al-O 的 悬 挂 键 。
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除 了 Al2O3 外 ,Y2O3[9] [10]
,La2O3 等 ⅢA 族 和 ⅢB 族 的 金 属 氧 化 物 均 有 报 道 。
2.2 ⅥB 族 的 金 属 氧 化 物
VIB 族 的 化 合 物 主 要 有 :HfO2[11] ,ZrO2[12] [13]
,TiO2 等 。 而 研 究 最 多 的 , 也 是 最 有 应 用 前 景 的 是 HfO2, 在 这 里
就 主 要 介 绍 一 下 国 内 外 对 HfO2 的 研 究 状 况 。
在 2003 年 的 IEDM(international electronic device meeting) 上 , 专 门 一 个 分 会 是 铪 (Hf) 基 栅 极 介 质 (Hf
based gate dielectrics), 这 也 足 以 说 明 铪 基 化 合 物 的 重 要 性 了 。
由 于 在 热 处 理 过 程 中 , 氧 很 容 易 通 过 HfO2 扩 散 到 HfO2 和 硅 的 界 面 与 硅 反 应 , 所 以 HfO2 栅 极 介 质 层 MOSFET 的
HfO2 和 硅 衬 底 之 间 往 往 有 一 层 二 氧 化 硅 。 研 究 表 明 , 界 面 层 的 厚 度 达 到 0.5nm, 而 二 氧 化 硅 的 存 在 会 大 大
降 低 栅 介 质 层 的 Teq。 同 时 , 由 于 氧 化 层 很 薄 , 很 容 易 产 生 大 的 漏 电 流 , 从 而 破 坏 高 介 电 常 数 层 。 在 700℃
[14]
左 右 热 处 理 后 ,HfO2 膜 由 原 来 的 非 晶 转 变 成 多 晶 。 同 时 , 热 处 理 后 , 器 件 的 漏 电 流 增 加 , 膜 的 均 匀 性 也
变 差 了 。 但 是 ,HfO2 膜 的 形 态 和 器 件 的 性 能 关 系 还 有 待 于 进 一 步 研 究 。
氮 被 普 遍 认 为 可 以 有 效 地 减 少 界 面 态 , 抑 制 杂 质 扩 散 。Toshiba [15] 公 司 的 Katsuyuki Sekine 等 人 研 究 了
HfSiON 栅 介 质 层 的 MOSFET 的 特 性 。 他 们 用 不 同 的 方 法 实 现 了 氮 的 引 入 。 结 果 表 明 , 用 等 离 子 方 法 引 入 氮 能
够 得 到 更 小 的 Teq、 漏 电 流 、 更 高 的 载 流 子 迁 移 率 , 同 时 又 能 保 证 好 的 热 稳 定 性 和 对 硼 扩 散 的 抑 制 能 力 。 界
面 态 密 度 和 固 定 电 荷 密 度 随 着 介 质 层 介 电 常 数 的 升 高 而 减 小 , 亦 随 着 Teq 的 增 大 而 减 小 。
2.3 堆 垛 结 构
实 际 的 高 介 电 常 数 栅 极 介 质 层 MOSFET 的 结 构 往 往 是 比 较 复 杂 的 , 在 介 电 层 和 栅 极 以 及 硅 衬 底 之 间 往 往 有
界 面 层 存 在 。 而 界 面 层 的 特 性 对 器 件 的 性 能 有 很 大 的 影 响 , 所 以 , 界 面 就 专 门 被 提 出 来 进 行 研 究 。 而 界 面
中 最 让 人 头 疼 的 就 是 界 面 态 了 。 既 然 界 面 难 以 避 免 , 所 以 研 究 者 就 考 虑 特 意 引 入 特 定 的 界 面 层 , 来 避 免 或
者 减 少 界 面 态 , 从 而 得 到 所 谓 的 堆 垛 结 构 。 如 前 所 述 , 氮 被 认 为 可 以 减 少 界 面 态 和 抑 制 杂 质 扩 散 。 所 以 ,
在 已 有 的 研 究 中 , 很 多 研 究 者 在 堆 垛 层 中 引 入 了 氮 。
最 简 单 的 堆 垛 结 构 就 是 在 高 介 电 常 数 层 和 硅 衬 底 之 间 引 入 一 定 厚 度 二 氧 化 硅 层 , 因 为 二 氧 化 硅 和 硅 的 界 面
结 合 得 非 常 好 , 界 面 态 相 当 低 , 加 上 氧 化 层 有 一 定 厚 度 , 隧 道 电 流 也 不 容 易 发 生 。 但 是 二 氧 化 硅 的 厚 度 不
能 太 大 , 否 则 就 会 大 大 增 加 整 体 介 质 层 的 等 效 厚 度 。Fan [16] 等 人 研 究 了 HfO2/SiO2,ZrO2/SiO2,Si3N4/SiO2 堆
垛 结 构 的 特 性 。 他 们 通 过 研 究 认 为 , 应 该 在 等 效 介 质 层 厚 度 和 漏 电 流 之 间 寻 求 平 衡 。 高 介 电 常 数 层 和 二 氧
化 硅 之 间 的 过 渡 层 的 组 成 会 在 很 大 程 度 上 影 响 堆 垛 结 构 的 特 性 。 同 时 还 提 出 , 由 于 高 介 电 常 数 层 和 二 氧
化 硅 之 间 的 过 渡 层 复 杂 的 效 应 ( 比 如 影 响 载 流 子 迁 移 率 等 ), 提 高 介 质 层 的 介 电 常 数 在 短 期 内 是 可 行 的 。
同 时 他 们 认 为 , 氮 的 引 入 在 一 定 程 度 上 可 以 降 低 表 明 态 密 度 和 抑 制 杂 质 扩 散 , 但 是 它 的 浓 度 要 谨 慎 控 制 ,
如 果 浓 度 控 制 不 当 , 可 能 会 带 来 一 些 负 面 影 响 , 比 如 载 流 子 迁 移 率 降 低 等 。
H.Y.Yu [17] 等 人 研 究 了 HfN/HfO2 栅 介 质 层 结 构 的 MOSFET 的 热 稳 定 性 。 他 们 制 备 的 堆 垛 结 构 的 等 效 厚 度 小
1nm。 测 试 结 果 表 明 , 该 结 构 具 有 很 好 的 抗 杂 质 扩 散 性 能 以 及 很 小 的 漏 电 流 。 而 且 在 1000℃ 高 温 热 处 理 后 ,
器 件 的 性 能 还 是 没 有 裂 化 。 这 说 明 , 用 这 个 堆 垛 结 构 的 器 件 具 有 很 好 的 电 学 性 能 和 热 稳 定 性 。
L.-A.Ragnarsson [18] 等 人 ALCVD 的 方 法 在 SiON 生 长 了 HfO2 层 , 形 成 了 HfO2/SiON 的 堆 垛 结 构 。 他 们 研 究 了 HfO2 厚
度 与 平 带 电 压 和 阈 值 电 压 偏 移 量 的 关 系 , 发 现 在 沉 积 了 一 层 HfO2 后 , 器 件 的 阈 值 电 压 和 纯 SiON 的 器 件 相 比
偏 移 了 0.25V( 相 同 的 等 效 厚 度 下 ), 同 时 迁 移 率 也 有 很 大 幅 度 的 降 低 , 他 们 把 这 归 结 于 栅 极 和 HfO2 界 面
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处 固 定 电 荷 的 Columbic 散 射 。
3 展 望 和 存 在 的 问 题
高 介 电 常 数 栅 介 质 以 替 代 二 氧 化 硅 已 经 成 为 国 际 上 的 又 一 个 研 究 热 点 , 各 国 的 研 究 者 已 经 对 其 进 行 了 深 入
的 研 究 , 取 得 了 很 多 的 成 果 , 但 是 还 有 很 多 问 题 有 待 于 解 决 和 进 一 步 地 研 究 。
(1) 在 引 入 高 介 电 常 数 栅 介 质 后 , 载 流 子 的 迁 移 率 有 较 大 幅 度 的 下 降 。
(2) 高 介 电 常 数 介 质 中 以 及 于 硅 衬 底 的 界 面 处 往 往 存 在 着 固 定 电 荷 , 这 将 会 使 平 带 电 压 和 阈 值 电 压 发 生
偏 移 。 虽 然 , 通 过 引 入 氮 的 方 法 可 以 减 少 固 定 电 荷 , 但 是 同 时 也 有 可 能 使 载 流 子 的 迁 移 率 降 低 。
(3) 杂 质 的 扩 散 问 题 。 在 超 薄 氧 化 膜 中 也 同 样 存 在 这 个 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 中 , 从 而 影 响 平 带 电 压 和 阈 值 电 压 。
(4) 在 高 介 质 和 硅 衬 底 ( 或 者 二 氧 化 硅 ) 以 及 栅 极 之 间 往 往 存 在 一 个 过 渡 层 , 这 个 过 渡 层 对 器 件 的 性 能
有 很 大 的 影 响 。 ( 转 自 中 电 网 )
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