HighK和LowK電介質(zhì)材料

1、High-K和Low-K電介質(zhì)材料不同電介質(zhì)的介電常數(shù)k相差很大，真空的k值為1,在所有材料中最低;空氣的k值為1.0006；橡膠的k值為2.53.5；純凈水的k值為81。工程上根據(jù)k值的不同，把電介質(zhì)分為高k(high-k)電介質(zhì)和低k(low-k)電介質(zhì)兩類。介電常數(shù)k3.9時(shí)，判定為high-k；而k3.9時(shí)則為low-k。IBM將low-k標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為k20；與Si有良好的熱穩(wěn)定性；(3)始終是非晶態(tài)，以減少泄漏電流；(4)有大的帶隙和高的勢(shì)壘高度，以降低隧穿電流；(5)低缺陷態(tài)密度/固定電荷密度，以抑制器件表面遷移率退化。2最有希望取代SiO2柵介質(zhì)的高K材料主要有兩大類：氮化物和金屬

2、氧化物。1.氮化物氮化物主要包括Si3N4,SiON等。Si3N4介電常數(shù)比SiO2高，作柵介質(zhì)時(shí)漏電流比SiO2小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，Si3N4和Si的界面狀態(tài)良好，不存在過(guò)渡層。但Si3N4具有難以克服的硬度和脆性，因此Si3N4并非理想的柵介質(zhì)材料。超薄SiOxNy可代替SiO2作為柵介質(zhì)，這主要是由于SiOxNy的介電常數(shù)比SiO2要高，在相同的等效柵氧化層厚度下，SiOxNy的物理厚度大于SiO2，漏電流有所降低。在SiO2-Si界面附近含有少量的氮，這可以降低由熱電子引起的界面退化，而且氮可以阻擋硼的擴(kuò)散。東芝公司2004年采用SiO2作為柵介質(zhì)，多晶硅為柵極，試制成功等效氧化層厚度(EO

3、T)為1nm的符合22nm工藝要求的晶體管，預(yù)計(jì)2016年量產(chǎn)。但SiOxNy柵介質(zhì)存在電離雜質(zhì)和庫(kù)侖散射等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率減小。2.金屬氧化物TiO2關(guān)于過(guò)渡族金屬氧化物電介質(zhì)，TiO2用在晶體管和存儲(chǔ)器中的研究是不少的。這種氧化物之所以受到注意是由于它具有很高的介電常數(shù)k=80-110（隨著淀積方法和晶體結(jié)構(gòu)的不同而變化）。為什么它的k值特別高呢？這是因?yàn)樗哂衅渌^(guò)渡族金屬氧化中所沒(méi)有的Ti+離子很強(qiáng)的軟聲子貢獻(xiàn)。此外，Ti+還有數(shù)種由Ti3+與Ti4+所形成的穩(wěn)定氧化物，從而導(dǎo)致包含有Ti-O鍵的缺失氧化物的形成，對(duì)此目前尚不清楚其形成原因。缺失氧化物中存在著許多氧缺陷，它們會(huì)

4、作為載流子的捕獲中心，并成為高漏電流的途徑。由于TiO2在比400C高很多的溫度下結(jié)晶，有可能產(chǎn)生并不希望存在的多晶形貌。還有因?yàn)橛肅VD在Si上淀積的TiO2并不穩(wěn)定，所有有關(guān)這種高介電常數(shù)氧化物的研究都是在溝道界面和金屬W柵極界面上制備反應(yīng)層以阻止在柵極界面上的反應(yīng)出現(xiàn)。在用CVD制備時(shí)，設(shè)法使前驅(qū)體中不含碳，而且避免淀積膜中也不含碳，以降低用它所做器件的柵極漏電流。High-K電介質(zhì)材料要想繼續(xù)發(fā)展還必須解決兩個(gè)主要問(wèn)題：（1）引入高介電常數(shù)材料作為柵介質(zhì)后，載流子的遷移率有較大程度的降低。高介電常數(shù)遷移率降低的理論還需要進(jìn)一步研究。（2）高介電常數(shù)材料與Si襯底以及柵極之間在沉積過(guò)程中

5、常常形成一個(gè)中間過(guò)渡層。高介電常數(shù)材料與Si的界面質(zhì)量比SiO2/Si的界面質(zhì)量要差。中間過(guò)渡層對(duì)器件特性的影響機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。二、Low-K電介質(zhì)材料隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)已進(jìn)入亞微米時(shí)代（小于0.35pm）。特征尺寸不斷減小和金屬連線高寬比增加導(dǎo)致互連電容快速上升，然后引起串?dāng)_問(wèn)題。另一方面，層數(shù)增加引起的層間寄生電容的加大并產(chǎn)生額外的互連延時(shí)，這成了提高電路速度的主要障礙。寄生電容還增加了功耗。所有這些問(wèn)題限制了電路性能的改進(jìn)。尋找和開(kāi)發(fā)新的低k材料作為介質(zhì)已是技術(shù)關(guān)鍵。傳統(tǒng)介質(zhì)材料SiO2已不能滿足提高集成電路性能的需要ULSI用的新介電材料不僅要有低介電常數(shù)，還要具

6、備的特征包括：足夠高的擊穿電壓（達(dá)4MV/cm）、高楊氏模量、高機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好（達(dá)450C）、足夠低的漏電流（lMV/cm時(shí)低于10-9）低吸濕性、薄膜應(yīng)力小、熱膨脹系數(shù)小、粘著強(qiáng)度高以及與CMP工藝有兼容性等等。目前，有很多可用的低k材料，主要有：摻雜二氧化硅，有機(jī)聚合物和多孔材料。1.摻雜二氧化硅SiOF（摻氟二氧化硅）：SiOF也稱為FSG（氟硅玻璃），可由等離子增強(qiáng)CVD（PECVD）或高密度等離子CVD（HDPCVD）制作。摻氟二氧化硅能降低極化率，但降低不多。SiOF的k值約為3.0。SiOC（摻碳二氧化硅）：SiOC是摻碳玻璃，也可用PECVD制作。介質(zhì)常數(shù)與薄膜密度有線性

7、關(guān)系，從2.5到3.0。這種薄膜穩(wěn)定性和疏水性高，制作簡(jiǎn)單。a-C:F：由于SiOF抗?jié)裥圆?曝露在空氣中時(shí)很容易水解，氟碳化合物（a-C:F）進(jìn)入了人們的視線。此材料不僅k值低（約為2.0），而且具有疏水性。氟碳化合物可用CVD制作，氟-碳比也可控。k值與氟-碳比成正比關(guān)系，因?yàn)榉芙档突瘜W(xué)鍵的偶極強(qiáng)度，從而使介電常數(shù)減小。2.有機(jī)聚合物聚酰亞胺：1970年代早期到1980年代晚期，聚酰亞胺已用來(lái)作為金屬間介質(zhì)。聚酰亞胺的線性膨脹系數(shù)與銅類似，且粘著力強(qiáng)。通常有二類，一類是只含有芳香烴，稱為PI薄膜；另一類是用Si-O鍵填充的，稱為PSI薄膜。同樣，摻氟不僅降低k值，而且改善吸水性。二種薄膜

8、可分別用PECVD和旋轉(zhuǎn)涂覆工藝制造。聚對(duì)二甲苯基：由于其在220C高溫下能連續(xù)工作且對(duì)氣體的阻擋特性極佳,聚對(duì)二甲苯基在1950年代就已開(kāi)發(fā)并用作電絕緣。它們可用CVD得到。加入氟以減小介電常數(shù)和提高熱穩(wěn)定性得到了聚對(duì)二甲苯基F,其中聚合物架構(gòu)的脂族部分是被氟化了。SiLK：SiLK是很有希望的一種芳香烴聚合物，其k值約為2.6。該材料抗腐蝕性高，熱和機(jī)械穩(wěn)定性相當(dāng)好，間隙填充特性優(yōu)良（低于0.1mm以下），最大吸水率為0.25%，熱膨脹系數(shù)小。此外，它與銅互連中的大馬士革工藝是兼容的。PAE：Polyaryleneether(PAE)是另一種芳香烴聚合物，k值從2.3到3.0。此材料吸水性

9、低，熱穩(wěn)定和機(jī)械穩(wěn)定性好。有氟化PAE和不氟化PAE。氟化PAE的問(wèn)題是與阻擋層金屬的粘著強(qiáng)度低。不氟化PAE的粘著強(qiáng)度非常好，不需要粘著劑。DVS-BCB：二乙烯硅氧烷苯并環(huán)丁烯(DVS-BCB)的吸水性和熱膨脹系數(shù)低,作為覆蓋層與SiO2一起能在390C穩(wěn)定工作，目前用作層間介質(zhì)。超大規(guī)模集成電路互連系統(tǒng)中低k介質(zhì)集成技術(shù)是90年代中后期為提高Ic性能而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。應(yīng)用低k材料，可以有效降低集成電路的RC互連延遲，減小線間串?dāng)_和功率耗散。氟氧化硅、碳氧化硅、非晶氟化碳、HSQ、空氣隙等低k材料具有較好的膜特性及工藝集成能力，適用于ULSI,具有較好的應(yīng)用前景。目前，新型低k材料尚

10、未大規(guī)模應(yīng)用在實(shí)際集成電路生產(chǎn)工藝中，大部分仍處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段。由于低k材料技術(shù)難度和成本問(wèn)題等因素，ITRS不斷修正其預(yù)期的低k執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。這也對(duì)廣大半導(dǎo)體制造商和低k材料技術(shù)研究工作者提出了十分緊迫的要求，低k材料技術(shù)仍然有很多研究工作有待開(kāi)展。參考文獻(xiàn)：.楊雪娜，王弘，張寅，姚偉峰，尚淑霞，周靜濤，劉延輝.High-K材料研究進(jìn)展與存在的問(wèn)題.人工晶體學(xué)報(bào)，2004年12月，第33卷第5期.張邦維.高K柵極電介質(zhì)材料與SiO2納米晶體管.微納電子技術(shù)，2006年第3期.蘇祥林，吳振宇，汪家友，楊銀堂低k層間介質(zhì)研究進(jìn)展.微納電子技術(shù)，2005年第10期.VikasGupta,Jie-HuaZhao,DarvinEdwards,ClayDustinMortensen,ColbyHeidema