Hf基高K栅介质材料研究进展

随着微电子技术的不断发展,MOSFET 的特征尺寸已缩小至100nm 以下,SiO_2作为栅介质材料已不能满足技术发展的需求,因此必须寻求一种新型高 K 的介质材料来取代 SiO_2。当今普遍认为 Hf 基栅介质材料是最有希望取代 SiO_2而成为下一代 MOSFET 的栅介质材料。综述了高 K 栅介质材料的意义、Hf 基高 K 栅介质材料的最新研究进展和 Hf 基高 K 栅介质材料在克服自身缺陷时使用的一些技术;介绍了一款由 Hf 基高 K 介质材料作为栅绝缘层制作的 MOSFET。

高K栅介质材料的研究现状与前景

论述了45～32nm技术节点下高K材料取代SiO2的必要性和基本要求,综述了高K栅介质中极具代表性的Hf基材料。研究表明,向HfO2中分别掺杂Al、Si、Ta、N等形成的复合Hf基高K栅介质材料具备较HfO2更加优异的物理结构、晶化温度、热力学稳定性以及电学特性,但与此同时也存在如何优化掺杂量、沟道载流子迁移率下降以及中间层引起的界面退化等难题。针对这些挑战,探讨了新型"堆垛结构"和引起载流子迁移率下降的物理机制,展望了高K材料在未来先进COMS器件中的应用。

扫描透射电子显微镜(STEM)在新一代高K栅介质材料的应用

扫描透射电子显微镜(STEM)原子序数衬度像(Z-衬度像)具有分辨率高(可直接"观察"到晶体中原子的真实位置)、对化学组成敏感以及图像直观易解释等优点,成为原子尺度研究材料微结构的强有力工具。本文介绍了STEM Z-衬度像成像原理、方法及技术特点,并结合具体的高K栅介质材料(如铪基金属氧化物、稀土金属氧化物和钙钛矿结构外延氧化物薄膜)对STEM在新一代高K栅介质材料研究中的应用进行了评述。目前球差校正STEM Z-衬度的像空间分辨率已达亚埃级,该技术在高K柵介质与半导体之间的界面微结构表征方面具有十分重要的应用。对此,本文亦进行了介绍。

作为高介电常数栅介质材料的LaErO_3薄膜热稳定性和电学性质的研究

采用脉冲激光淀积法在硅衬底上生长了LaErO3薄膜,用X射线衍射仪、X射线电子能谱仪、高分辨透射电子显微镜研究了该薄膜的热学和电学性质.通过电容-电压测量得到了较好的电容-电压曲线,计算得出等效SiO2厚度为1.4nm.通过高分辨电镜可以看出即使经过700℃30sN2中快速热退火处理LaErO3薄膜与硅衬底之间的反应层也仅有几个原子层的厚度.X射线电子能谱分析得到非常少量的SiO2在沉积的过程中形成.测量的热学和电学性质表明LaErO3薄膜是高介电常数栅介质材料非常有前途的候选材料.

栅介质材料及尺寸对薄膜晶体管性能影响研究

系统地对基于高介电常数材料HfO2和传统的介质材料SiO2这两种不同栅介质层材料的硅薄膜晶体管进行建模并对不同尺寸和温度条件下的薄膜晶体管的工作特性进行了研究.获得了不同沟道长度和沟道宽度,不同栅介质层厚度和不同温度条件下的薄膜晶体管的工作特性曲线.通过对比发现,薄膜晶体管的饱和电流与沟道长度和栅介质层厚度成反比,与沟道宽度成正比,与理论计算一致.随着温度的升高,薄膜晶体管的载流子迁移率和阈值电压都在逐渐减小,因而饱和电流值逐渐减小;在相同栅介质层尺寸和温度条件下,基于HfO2的薄膜晶体管相对于基于SiO2的薄膜晶体管具有更高的电流开关比,更低的阈值电压和更小的泄漏电流.因此,基于高介电常数栅介质材料的薄膜晶体管相对于基于SiO2的薄膜晶体管具有更好的性能.

高介电栅介质材料HfO_2掺杂后的物理电学特性(英文)

采用激光分子束外延法(LMBE)在p型Si(100)衬底上沉积了(HfO2)x(Al2O3)y(NiO)1-x-y栅介质薄膜,研究了其热稳定性以及阻挡氧扩散的能力。X射线衍射表明在HfO2中掺入Ni和Al元素明显提高了其结晶温度。原子力显微镜测试显示:在N2中退火后薄膜表面是原子级平滑连续的,没有发现针孔。900℃N2中退火后的薄膜在高分辨透射电镜下没有发现硅酸盐界面层。实验结果表明在氧化物薄膜与硅衬底之间引入Ni-Al-O置入层能够防止硅酸盐低介电界面层的生成,这有利于MOS晶体管的进一步尺度缩小。

高介电常数栅极电介质材料的研究进展

随着半导体技术的飞速发展,作为硅基集成电路核心器件的 MOSFET 的特征尺寸正以摩尔定律的速度缩小。然而,当传统栅介质层 SiO_2的厚度减小到原子尺寸时,由于量子隧穿效应的影响,SiO_2将失去介电性能,致使器件无法正常工作。因此,必须寻找新的高介电常数材料来替代它。目前,高介电常数材料是微电子行业最热门的研究课题之一。主要介绍了栅介质层厚度减小所带来的问题(即研究高介电常数材料的必要性)、新型栅电介质材料的性能要求,并简要介绍和评述了近期主要高介电常数栅介质材料的研究状况及其应用前景。

绝缘体上硅的衬底上混合结构栅介质材料的制备方法

编号：0503237 该发明专利是一种在绝缘体的硅衬底上氧化铪和氧化铝混合结构新型高介电常数栅介质材料的制备方法，属于微电子与固体电子学中介质材料的制造工艺。

高k栅介质原子分辨率的电镜表征:研究进展和展望(英文)

随着特征尺寸不断缩小,CMOS器件已步入纳米尺度范围,因此纳米尺度器件的结构表征变得尤为关键。完备的半导体器件结构分析,要求确定原子位置、局部化学元素组成及局域电子结构。高分辨(分析型)透射电镜及其显微分析技术,能够提供衍衬像(振幅衬度像)、高分辨像(相位衬度像)、选区电子衍射和会聚束电子衍射、X射线能谱(EDS)及电子能量损失谱(EELS)等分析手段,已作为半导体器件结构表征的基本工具。配有高角度环形暗场探测器的扫描透射电镜(STEM),因其像的强度近似正比于原子序数(Z)的平方,它可在原子尺度直接确定材料的结构和化学组成。利用Z-衬度像配合高分辨电子能量损失谱技术,可确定新型CMOS堆垛层中的界面结构、界面及界面附近的元素分布及化学环境。近年来新开发的球差校正器使得HRTEM/STEM的分辨率得到革命性提高(空间分辨率优于0.08 nm,能量分辨率优于0.2 eV),在亚埃尺度上实现单个纳米器件的结构表征。装备球差校正器的新一代HRTEM和STEM,使得高k栅介质材料的研究进入一个新时代。本文首先介绍了原子分辨率电镜(HRTEM和STEM)的基本原理和关键特征,对相关高分辨谱分析技术(如EDS和EELS)加以比较;然后综述了HRTEM/STEM在高k栅介质材料(如铪基氧化物、稀土氧化物和外延钙钛矿结构氧化物)结构表征方面的最新进展;最后对亚埃分辨率高k栅介质材料的结构表征进行了展望。

基于AlON的4H-SiC MOS高k栅介质电性能

提高栅介质的界面质量和可靠性一直是功率碳化硅金属氧化物半导体(MOS)器件研发的核心任务之一。基于原子层沉积(ALD)技术,在n型4H-SiC上沉积了Al基高介电常数(k)栅介质材料AlON。在不同沉积后退火(PDA)温度下制备了AlON/4H-SiC MOS电容,对制备的AlON/4H-SiC MOS电容进行了高-低频电容-电压特性测试,并开展了介质零时击穿(TZDB)实验。发现当PDA温度为800℃时,得到的AlON/4H-SiC MOS电容有着较低的界面态密度、栅极电流密度和较高的介电击穿电场强度,表明经过合适的PDA工艺后,基于AlON高k栅介质材料的4H-SiC MOS器件栅介质的界面态密度得到显著降低,栅介质的介电性能和可靠性得到提高。

High-k材料研究进展与存在的问题

随着集成电路的飞速发展,SiO2作为传统的栅介质将不能满足MOSFET器件高集成度的要求,需要一种新型High-k材料来代替传统的SiO2,这就要综合考虑以下几个方面问题:(1)介电常数和势垒高度;(2)热稳定性;(3)薄膜形态;(4)界面质量;(5)与Si基栅兼容;(6)工艺兼容性;(7)可靠性。本文综述了几类High-k栅介质材料的研究现状及存在的问题。目前任何一种有望替代SiO2的栅介质材料都不能完全满足上述几点要求。但是,科学工作者们已经发现了几种有希望的High-k候选材料。

单晶Tm_2O_3薄膜的制备与F-N隧穿机制

采用分子束外延方法结合原位退火生长技术在Si(001)衬底上制备了Tm2O3薄膜,XRD测量结果表明所制备样品为单晶Tm2O3.在低温环境下,采用MOS电容结构对薄膜进行I-V测试,研究了样品的F-N隧穿特性,得出Pt/Tm2O3和Al/Tm2O3的势垒高度分别为2.95,1.8eV.从能带的角度表明Tm2O3是一种高K栅介质候选材料.

Characterization of Sub-100nm MOSFETs with High K Gate Dielectric

The short-channel performance of typical 70nm MOSFETs with high K gate dielectric is widely studied by using a two dimensional(2-D) device simulator.The short-channel performance is degraded from the fringing field and lower the source/drain junction resistance.The sidewall material is found very useful to eliminate the fringing-induced berrier lowing effect.

基于量子力学效应的多子带MOS器件修正系统

对于MOS器件隧穿电流的测量及修正,通过自洽解的方式运算复杂且时效较低。以表面势解析为基础,提出多子带向单子带等效的方案。通过向单子带的等效,大量减少对应的拟合参数,简化运算步骤,提高精度。同时经过算例验证,方案切实可行,并与自洽解方式进行对比,提高了计算的时效性,具备更高的精确性及普适性。同时,将隧穿模型用于不同栅介质材料的测量,并与实际数据进行对比,结果吻合度高,更加适用于MOS器件修正模拟。