摘要：介绍了国内外对高K栅极介质的研究现状。分析了适合用于作为栅极介质的高介电常数材料的种类，用于制备高K薄膜的方法。最后提出了目前有待于进一步解决的问题
关键词：高介电常数材料；栅极；介电层

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)05-0016-04

1 引言
20世纪80年代以来，CMOS集成电路的快速发展大大促进了硅基微电子工业的发展，使其在市场的份额越来越大。而CMOS集成电路的快速发展又是得益于其电路基本单元——场效应管尺寸的缩小[1]。场效应管尺寸缩小的关键因素就是作为栅介质层的二氧化硅（SiO2）膜厚的减小。二氧化硅的作用是隔离栅极和硅通道。作为栅介质层，二氧化硅有很多优点，如热和电学稳定性好，与硅的界面质量很好以及很好的电隔离性能等。但是随着器件尺寸的不断缩小，二氧化硅的厚度被要求减到2nm以下，随之产生的主要问题有：

（1）漏电流的增加[2]。随着二氧化硅膜厚的减小，漏电流就会增加。对于低功率器件，这将是不能忍受的，而且事实上，现在低功率器件的市 场需求越来越大[7]。

（2）杂质扩散[3]。栅极、二氧化硅和硅衬底之间存在杂质的浓度梯度，所以杂质会从栅极中扩散到硅衬底中或者固定在二氧化硅中，这会影响器件的阈值电压，从而影响器件的性能。当二氧化硅 的厚度减小时，杂质就更容易从栅极中扩散到硅衬底中。

所以，有必要寻求一种新的栅介质层来替代二氧化硅。从以上两个存在的问题可以看出，为了减小漏电流和降低杂质扩散，最直观的方法就是增加栅介质层的厚度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，而且介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，从而可以更好地减小漏电流和杂质扩散。

2 国内外研究现状
在选择合适的介质层来替代二氧化硅的过程中，已经有很多种材料被用来尝试，主要如表1所示 (为了便于比较，SiO2也列在其中)。从表中可 以看出，主要是两大类金属氧化物即ⅢA族和ⅢB族的金属氧化物；ⅥB族的金属氧化物。下面分别就对这两类金属氧化物的研究现状作一阐述。

2.1 ⅢA族和ⅢB族的金属氧化物
该族中氧化物主要有Al2O3 ,Y2O3,La2O3等。其中对Al2O3的研究最为广泛和深入。Al2O3具有非常好的稳定性和机械强度。而且作为栅介质层，它又有很多优点，如它有很大的禁带宽度，在高温下的热稳定性相当好等。但是Al2O3的介电常数只有8～10，所以只能用来解决短期的工业需求。然而工业上的要求是够用即可，故Al2O3虽然是短期的却是非常实用和合适的选择。

Al2O3的热稳定性虽然非常好，但是由于一般它是非平衡状态下沉积的，所以就可能会有副反应发生。Klein[4]等人研究了在低温下（400℃）用CVD法沉积的Al2O3膜的特性。结果表明，在硅与Al2O3之间形成了一层AlSixOy化合物（图1）。Gusev[5]等人研究了Atomic Layer CVD (ALCVD) 法沉积的Al2O3薄膜的物理和电学性能。由此可以更好地理解Al2O3和硅之间界面形成的机理。他们用ALCVD法沉积的Al2O3膜却没有发现AlSixOy过渡层的形成。这一结果表明，界面层的形成是可以控制的，至少在他们的反应条件下是可 以控制的。

Chin[6]等人制备了Teq(等效厚度)=2.1nm的Al2O3栅极MOSFET，测试结果表明它具有相当低 的漏电流。当Vg＝1V时，Ileak≈10－8A/cm2, 而用相同Teq的二氧化硅制备的MOSFET的漏电流约为10－1A/cm2。

Park[7]等人的研究表明，Al2O3栅极MOSFET存在严重的硼扩散现象。经过800～900℃热处理后，平带电压的偏移量（ΔVFB）达到1.5V，SIMS 分析亦显示，一定量的硼已经扩散到了硅衬底中。然后，他们在沉积Al 2O3之前先注入NO层，形成栅/Al2O3/NO/硅衬底结构，该结构的Δ VFB只有90mV。

在另外的研究中，Lee[8]等人发现P可以从n＋的多晶硅栅极扩散到Al2O3，并且固定在Al2O3中，成为固定电荷。他们认为这是由于P破坏了Al2O3的网络结构，造成了Al－O的悬挂键。

除了Al2O3外，Y2O3[9],La2O3[10]等ⅢA族和ⅢB族的金属氧化物均有报道。

2.2 ⅥB族的金属氧化物
VIB族的化合物主要有：HfO2[11]，ZrO2[12]，TiO2[13]等。而研究最多的，也是最有应用前景的是HfO2，在这里就主要介绍一下国内外对HfO2的研究状况。

在2003年的IEDM(international electronic device meeting)上，专门一个分会是铪(Hf)基栅极介质(Hf based gate dielectrics)，这也足以说明铪基化合物的重要性了。

由于在热处理过程中，氧很容易通过HfO2扩散到HfO2和硅的界面与硅反应，所以HfO2栅极介质层MOSFET的HfO2和硅衬底之间往往有一层二氧化 硅。研究表明，界面层的厚度达到0.5nm，而二氧化硅的存在会大大降低栅介质层的Teq。同时，由于氧化层很薄，很容易产生大的漏电流，从而破坏高介电常数层。在700℃左右热处理后，HfO2膜由原来的非晶转变成多晶[14]。同时，热处理