高k介质的选择----纳米集成电路制造工艺 张汝京等 编著

如何选择高k介质呢？首先高的k值是一个主要的指标。表4.6列出了候选的介质和它们的k值。根据材料的化学成分、制备方法和晶体结构等条件的不同，同一种材料可能具有不同的k值。

除了高的k值，介质同时还必须考虑材料的势垒、能隙、界面态密度和缺陷、材料的化学和热稳定性、与标准CMOS工艺的兼容性等因素。HfO₂族的高k介质是目前最有前途的选择之一（其次是 ZrO₂族的高k介质）。

在高k介质研究的前期，介质与多晶硅栅极的兼容性一直是一个问题。如图4.8所示，由于在HfO₂和多晶硅界面上形成 Hf-Si键合，即界面存在缺陷态，使得无法通过多晶硅的掺杂调节器件的开启电压（V_t），这被称为“费米能级的钉扎”。

另外一个问题是器件的电迁移率的降低，这是由于高k介质的表面声子散射造成的（见图4.9）。因为高k介质的高的k值得益于其偶极性分子结构，但这种分子结构容易产生振动。在和硅的界面上，偶极性分子的振动被传递到硅原子，造成晶格振动（声子）并进而影响电子的正常运动，导致迁移率的降低。

问题的解决方法之一是采用金属代替多晶硅作为栅极，这样既可以避免HfO_{2和多晶硅界面上缺陷态的产生，同时金属栅极的高的电子密度，可以把偶极性分子的振动屏蔽掉，从而提高器件的通道内的迁移率（见图4.9）。}

如前所述，HfO_{2族的高k介质是目前最好的替代SiO2/SiON 的选择。根据工艺整合的不同，主要有先栅极和后栅极两种路线，在后栅极中又有先高k和后高k两种不同方法（在金属栅极章节内详述），其主要区别在于高k介质是否经历源/漏的高温热处理（1050°C）。纯的HfO2具有较高的k值（25），但缺点是无法承受高温。在温度超过500°C，HfO2会发生晶化，产生晶界缺陷，同时晶化还会造成表面粗糙度的增加，这都会引起漏电流的增加，从而影响器件的性能。所以纯的HfO2只适合应用于后栅极后高k的整合路线。可以通过对HfO2进行掺杂来改善它的高温性能，如掺Si或氮化，形成 HfSiO/HfSiON。但这样都会降低介质的k值（15），从而影响EOT的降低。}