隨著CMOS器件特征尺寸進(jìn)入到45nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)后,HfO_2高k材料得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。由于純HfO_2在低溫退火條件下一般為非晶態(tài)或單斜晶相,其k值僅為20左右,只能滿足近幾個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展需求。同時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)HfO_2的晶相對(duì)其k值起到?jīng)Q定作用,例如,四方晶相的HfO_2理論k值可以達(dá)到70。但純HfO_2要轉(zhuǎn)變成四方晶相或立方相,需要1000～2000℃的高溫。因此,如何在低溫下使Hf02發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變,從而獲得更高k值,成為新一輪研究熱點(diǎn)。本文先從介電常數(shù)的概念及定義開始,對(duì)近年關(guān)于高k材料的研究進(jìn)行分析,對(duì)高k材料的發(fā)展及規(guī)律進(jìn)行研究,確定采用微量A1摻雜的Hf02結(jié)構(gòu)作為亞14nm超高k的候選材料。然后,介紹了 MOS電容的制備過程,并對(duì)制備過程中所需各工藝方法及原理進(jìn)行分析討論,同時(shí)根據(jù)各工藝的優(yōu)缺點(diǎn),制定并開發(fā)了淺槽隔離、界面層生長、高k淀積等關(guān)鍵工藝模塊,確保MOS電容的成功制備。然后,在MOS電容的制備流程基礎(chǔ)上,對(duì)A1摻雜的Hf02高k材料的電學(xué)特性進(jìn)行了詳盡的分析。研究退火工藝對(duì)柵介質(zhì)層的晶相、k值及缺陷等參數(shù)的影響,確認(rèn)了最優(yōu)的高k制備和退火工藝。同時(shí),對(duì)實(shí)現(xiàn)最小EOT條件下的MOS電容中的高k材料進(jìn)行了 k值提取。在N2環(huán)境中650℃退火30s和700℃退火15s兩種條件下,A1摻雜的HfO_2高k材料EOT僅為0.88nm,k值分別為35和35.5。最終,將N2環(huán)境下700℃15s退火作為亞14nm節(jié)點(diǎn)超高k材料制備的最佳條件,得到的材料特性滿足了亞14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)高k材料的需求。
【學(xué)位單位】：北方工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

第一章緒論逡逑１９６５年Ｍｏｏｒｅ提出摩爾定律以來，ＣＭＯＳ集成電路領(lǐng)域便一直遵，即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔１８倍，性能也將提升一倍；換句話說，每一美元所能買到的電腦性月翻兩倍以上［６］。但隨著尺寸的不斷縮小，等比例縮小理論逐漸也遇到了巨大的挑戰(zhàn)。為了延續(xù)摩爾定律，新的材料、新的工藝構(gòu)成為了推動(dòng)集成電路工藝發(fā)展的主要?jiǎng)恿�，如圖Ｕ所示，包入淺摻雜漏、暈環(huán)等技術(shù)來抑制短溝道效應(yīng)，在源漏區(qū)域引入ＳｉＧ給溝道區(qū)施加應(yīng)力，來提高載流子的遷移率；在柵介質(zhì)中引入高柵極漏電電流，引入金屬柵材料來減小多晶硅耗盡效應(yīng)以及Ｂ穿性問題；采用多柵器件和三維立體結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高柵控能力，應(yīng)；引入新的溝道材料來進(jìn)一步增加載流子的遷移率等。逡逑

圖１．４高ｋ金屬柵替代多晶硅結(jié)構(gòu)后ＣＭＯＳ器件柵極電容結(jié)構(gòu)等效圖逡逑因此，在進(jìn)入到４５ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須引入高ｋ材料和金屬柵材料來統(tǒng)的Ｓｉ０２和多晶硅材料。這是因?yàn)椋矗担睿碇安捎玫亩嗑Ч钖艠O材料在寸逐漸縮減的過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的耗盡效應(yīng)，即便利用重?fù)诫s的方法制硅，相比于金屬而言，其載流子密度依然少的可憐，且會(huì)引入多晶硅耗容，如圖１．３所示。可見，處于耗盡狀態(tài)時(shí)，多晶硅的耗盡深度大概幾個(gè)３逡逑

ｍｅｔａｌ邐［／邋Ｏｘｉｄｅ逡逑圖１．３多晶硅柵電極對(duì)柵極總電容的影響逡逑—逡逑Ｐｏｌｙ－Ｓｉ邐Ｍｅｔａｌ逡逑＾４邐－ｆ—逡逑Ｃ0ｘ邋＾邋Ｓｉ０２邐Ｃｏｘ＾邋Ｈｉｇｈ－ｋ逡逑７ｑ邋￣＾邐！邐ｒ邋ｉ邋？逡逑ｓ邋；邋Ｉｎｖ丁丨邋ｄ邐ｓ邋；邋，ｎｖＴ邋Ｉｄ逡逑／邐＼邐／邐Ｖ逡逑／邐Ｖ邐／邐Ｎ逡逑．？邋＿邋一邐＇＊＊？＿＊？邋？邋—邋、＊？？？＊逡逑Ｓｉｌｉｃｏｎ邋Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ邐Ｓｉｌｉｃｏｎ邋Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑圖１．４高ｋ金屬柵替代多晶硅結(jié)構(gòu)后ＣＭＯＳ器件柵極電容結(jié)構(gòu)等效圖逡逑Ｉ逡逑因此，在進(jìn)入到４５ｎｍ技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須引入高ｋ材料和金屬柵材料來替代逡逑傳統(tǒng)的Ｓｉ０２和多晶硅材料。這是因?yàn)椋矗担睿碇安捎玫亩嗑Ч钖艠O材料在器件逡逑尺寸逐漸縮減的過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的耗盡效應(yīng)，即便利用重?fù)诫s的方法制造多逡逑晶硅，相比于金屬而言，其載流子密度依然少的可憐，且會(huì)引入多晶硅耗盡層逡逑電容，如圖１．３所示�？梢姡幱诤谋M狀態(tài)時(shí)，多晶硅的耗盡深度大概幾個(gè)Ａ，逡逑３逡逑

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