芯片制造中的High-K材料介绍

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了High-K材料的物理性质、制备方法及其应用。  

High-K材料（高介电常数材料）是介电常数显著高于传统二氧化硅（SiO₂，k=3.9）的绝缘材料，主要用于替代栅极介质层和电容介质层。随着芯片制程进入纳米级，传统SiO₂因厚度过薄（<2 nm）引发严重的量子隧穿效应，导致漏电流激增和功耗失控。High-K材料的引入，可在相同电容下增加物理厚度（如HfO₂的k=25，厚度可达SiO₂的3-6倍），从而抑制漏电流并提升器件可靠性。

常见High-K材料及其物理性质

材料	介电常数（k）	热稳定性	应用场景
HfO₂	20-25	易结晶	逻辑器件栅介质、DRAM电容
ZrO₂	25-30	易结晶	DRAM电容、存储介质
TiO₂	30-80	易结晶	实验性栅介质
HfSiON	15-20	>1000℃	高温兼容的栅介质层
HfO₂-ZrO₂复合	30-50	高	DRAM电容

HfO₂因兼具高k值和热稳定性，成为主流选择；HfSiON（氮氧化铪硅）通过掺氮优化界面态密度，常用于高温工艺。

ALD工艺合成HfO₂与HfSiON

原子层沉积（ALD）是制备High-K薄膜的核心技术，可实现原子级厚度控制与三维结构保形性。

HfO₂的ALD合成

前驱体：四（乙基甲基胺基）铪（TEMAHf）或HfCl₄作为铪源，去离子水（H₂O）或臭氧（O₃）为氧源。

TEMAHf+H2O→HfO2+副产物气体（如NH3）

HfSiON的ALD合成

交替使用Hf前驱体（如TEMAHf）、硅源（如SiH₄或硅烷衍生物）及氮源（NH₃等离子体）。通过调节硅/氮的沉积比例，优化薄膜的k值和界面特性。例如，掺氮可减少氧空位缺陷，提升热稳定性。  

High-K材料在芯片制造中的应用

先栅HKMG工艺中的HfSiON

栅极在源漏注入前形成，需耐受高温退火（>1000℃）。HfSiON因高热稳定性与Si衬底兼容，常与多晶硅栅结合，用于45 nm及以上制程。降低等效氧化层厚度（EOT），同时抑制硼穿透（PMOS中常见问题）。

后栅HKMG工艺中的HfO₂

先形成多晶硅伪栅，完成高温工艺后替换为金属栅（如TiN）。HfO₂与金属栅（如TiN/Al）结合，用于22 nm以下FinFET制程。避免高温对金属栅的损伤，实现更薄EOT（<1 nm）和更低漏电流。

DRAM电容中的HfO₂与ZrO₂

在DRAM单元电容中，High-K材料（如HfO₂/ZrO₂堆叠）可大幅提升电容容量。