文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了High-K材料的物理性質(zhì)、制備方法及其應(yīng)用。

High-K材料（高介電常數(shù)材料）是介電常數(shù)顯著高于傳統(tǒng)二氧化硅（SiO?，k=3.9）的絕緣材料，主要用于替代柵極介質(zhì)層和電容介質(zhì)層。隨著芯片制程進(jìn)入納米級，傳統(tǒng)SiO?因厚度過薄（<2 nm）引發(fā)嚴(yán)重的量子隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致漏電流激增和功耗失控。High-K材料的引入，可在相同電容下增加物理厚度（如HfO?的k=25，厚度可達(dá)SiO?的3-6倍），從而抑制漏電流并提升器件可靠性。

常見High-K材料及其物理性質(zhì)

HfO?因兼具高k值和熱穩(wěn)定性，成為主流選擇；HfSiON（氮氧化鉿硅）通過摻氮優(yōu)化界面態(tài)密度，常用于高溫工藝。

ALD工藝合成HfO?與HfSiON

原子層沉積（ALD）是制備High-K薄膜的核心技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)原子級厚度控制與三維結(jié)構(gòu)保形性。

HfO?的ALD合成

前驅(qū)體：四（乙基甲基胺基）鉿（TEMAHf）或HfCl?作為鉿源，去離子水（H?O）或臭氧（O?）為氧源。

TEMAHf+H2O→HfO2+副產(chǎn)物氣體（如NH3）

HfSiON的ALD合成

交替使用Hf前驅(qū)體（如TEMAHf）、硅源（如SiH?或硅烷衍生物）及氮源（NH?等離子體）。通過調(diào)節(jié)硅/氮的沉積比例，優(yōu)化薄膜的k值和界面特性。例如，摻氮可減少氧空位缺陷，提升熱穩(wěn)定性。

High-K材料在芯片制造中的應(yīng)用

先柵HKMG工藝中的HfSiON

柵極在源漏注入前形成，需耐受高溫退火（>1000℃）。HfSiON因高熱穩(wěn)定性與Si襯底兼容，常與多晶硅柵結(jié)合，用于45 nm及以上制程。降低等效氧化層厚度（EOT），同時(shí)抑制硼穿透（PMOS中常見問題）。

后柵HKMG工藝中的HfO?

先形成多晶硅偽柵，完成高溫工藝后替換為金屬柵（如TiN）。HfO?與金屬柵（如TiN/Al）結(jié)合，用于22 nm以下FinFET制程。避免高溫對金屬柵的損傷，實(shí)現(xiàn)更薄EOT（<1 nm）和更低漏電流。

DRAM電容中的HfO?與ZrO?

在DRAM單元電容中，High-K材料（如HfO?/ZrO?堆疊）可大幅提升電容容量。