High-K和Low-K电介质材料

High-K和Low-K电介质材料
不同电介质的介电常数k 相差很大，真空的k 值为1，在所有材料中最低；空气的k值为1.0006；橡胶的k值为2.5～3.5；纯净水的k值为81。

工程上根据k值的不同，把电介质分为高k(high-k)电介质和低k(low-k)电介质两类。

介电常数k ＞3.9 时，判定为high-k；而k≤3.9时则为low-k。

IBM将low-k标准规定为k≤2.8，目前业界大多以2.8作为low-k电介质的k 值上限。

一、High-K电介质材料
随着集成电路的飞速发展，SiO2作为传统的栅介质将不能满足MOSFET，器件高集成度的要求，需要一种新型High-k材料来代替传统的SiO2。

[1]所谓High-K电介质材料，是一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。

它具备良好的绝缘属性，同时可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应（即高-K）。

两者都是高性能晶体管的理想属性。

High-K电介质材料应满足的要求：：(1) 高介电常数,≤50 nm CMOS 器件要求k >20；(2)与Si 有良好的热稳定性；(3)始终是非晶态，以减少泄漏电流；
(4)有大的带隙和高的势垒高度，以降低隧穿电流；(5) 低缺陷态密度/ 固定电荷密度，以抑制器件表面迁移率退化。

[2]
最有希望取代SiO2栅介质的高K材料主要有两大类：氮化物和金属氧化物。

1.氮化物
氮化物主要包括Si3N4，SiON等。

Si3N4介电常数比SiO2高，作栅介质时漏电流比SiO2小几个数量级，Si3N4和Si的界面状态良好，不存在过渡层。

但Si3N4具有难以克服的硬度和脆性，因此Si3N4并非理想的栅介质材料。

超薄SiOxNy可代替SiO2作为栅介质，这主要是由于SiOxNy的介电常数比SiO2要高，在相同的等效栅氧化层厚度下，SiOxNy的物理厚度大于SiO2，漏电流有所降低。

在SiO2-Si界面附近含有少量的氮，这可以降低由热电子引起的界面退化，而且氮可以阻挡硼的扩散。

东芝公司2004年采用SiO2作为栅介质，多晶硅为栅极，试制成功等效氧化层厚度（EOT）为1nm的符合22nm工艺要求的
晶体管，预计2016年量产。

但SiOxNy栅介质存在电离杂质和库仑散射等问题，会导致载流子迁移率减小。

2.金属氧化物TiO2
关于过渡族金属氧化物电介质，TiO2用在晶体管和存储器中的研究是不少的。

这种氧化物之所以受到注意是由于它具有很高的介电常数k=80-110（随着淀积方法和晶体结构的不同而变化）。

为什么它的k值特别高呢？这是因为它具有其他过渡族金属氧化中所没有的Ti+离子很强的软声子贡献。

此外，Ti+还有数种由Ti3+与Ti4+所形成的稳定氧化物，从而导致包含有Ti-O键的缺失氧化物的形成，对此目前尚不清楚其形成原因。

缺失氧化物中存在着许多氧缺陷，它们会作为载流子的捕获中心，并成为高漏电流的途径。

由于TiO2在比400℃高很多的温度下结晶，有可能产生并不希望存在的多晶形貌。

还有因为用CVD在Si 上淀积的TiO2并不稳定，所有有关这种高介电常数氧化物的研究都是在沟道界面和金属W栅极界面上制备反应层以阻止在栅极界面上的反应出现。

在用CVD 制备时，设法使前驱体中不含碳，而且避免淀积膜中也不含碳，以降低用它所做器件的栅极漏电流。

High-K电介质材料要想继续发展还必须解决两个主要问题：（1）引入高介电常数材料作为栅介质后，载流子的迁移率有较大程度的降低。

高介电常数迁移率降低的理论还需要进一步研究。

（2）高介电常数材料与Si衬底以及栅极之间在沉积过程中常常形成一个中间过渡层。

高介电常数材料与Si的界面质量比SiO2/Si的界面质量要差。

中间过渡层对器件特性的影响机理还需要进一步研究。

二、Low-K电介质材料
随着集成电路技术的发展，半导体工业已进入亚微米时代（小于0.35μm）。

特征尺寸不断减小和金属连线高宽比增加导致互连电容快速上升，然后引起串扰问题。

另一方面，层数增加引起的层间寄生电容的加大并产生额外的互连延时，这成了提高电路速度的主要障碍。

寄生电容还增加了功耗。

所有这些问题限制了电路性能的改进。

寻找和开发新的低k材料作为介质已是技术关键。

传统介质材料SiO2已不能满足提高集成电路性能的需要。

ULSI用的新介电材料不仅要有低介电常数，还要具备的特征包括：足够高的击穿电压（达4MV/cm）、高杨氏模量、高机械强度、热稳定性好（达450℃）、足够低的漏
电流（1MV/cm时低于10-9）、低吸湿性、薄膜应力小、热膨胀系数小、粘着强度高以及与CMP工艺有兼容性等等。

目前，有很多可用的低k材料，主要有：掺杂二氧化硅，有机聚合物和多孔材料。

1. 掺杂二氧化硅
SiOF（掺氟二氧化硅）：SiOF也称为FSG（氟硅玻璃），可由等离子增强CVD（PECVD）或高密度等离子CVD（HDPCVD）制作。

掺氟二氧化硅能降低极化率，但降低不多。

SiOF的k值约为3.0。

SiOC（掺碳二氧化硅）：SiOC是掺碳玻璃，也可用PECVD制作。

介质常数与薄膜密度有线性关系，从2.5到3.0。

这种薄膜稳定性和疏水性高，制作简单。

a-C:F：由于SiOF抗湿性差，曝露在空气中时很容易水解，氟碳化合物（a-C:F）进入了人们的视线。

此材料不仅k值低（约为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值与氟-碳比成正比关系，因为氟能降低化学键的偶极强度，从而使介电常数减小。

2.有机聚合物
聚酰亚胺：1970年代早期到1980年代晚期，聚酰亚胺已用来作为金属间介质。

聚酰亚胺的线性膨胀系数与铜类似，且粘着力强。

通常有二类，一类是只含有芳香烃，称为PI薄膜；另一类是用Si-O键填充的，称为PSI薄膜。

同样，掺氟不仅降低k值，而且改善吸水性。

二种薄膜可分别用PECVD和旋转涂覆工艺制造。

聚对二甲苯基：由于其在220℃高温下能连续工作且对气体的阻挡特性极佳，聚对二甲苯基在1950年代就已开发并用作电绝缘。

它们可用CVD得到。

加入氟以减小介电常数和提高热稳定性得到了聚对二甲苯基F，其中聚合物架构的脂族部分是被氟化了。

SiL K：SiL K是很有希望的一种芳香烃聚合物，其k值约为2.6。

该材料抗腐蚀性高，热和机械稳定性相当好，间隙填充特性优良（低于0.1mm以下），最大吸水率为0.25%，热膨胀系数小。

此外，它与铜互连中的大马士革工艺是兼容的。

PAE：Poly aryleneether （PAE）是另一种芳香烃聚合物，k值从2.3到3.0。

此材料吸水性低，热稳定和机械稳定性好。

有氟化PAE和不氟化PAE。

氟化PAE 的问题是与阻挡层金属的粘着强度低。

不氟化PAE的粘着强度非常好，不需要粘着剂。

DVS-BCB：二乙烯硅氧烷苯并环丁烯(DVS-BCB)的吸水性和热膨胀系数低，作为覆盖层与SiO2一起能在390℃稳定工作，目前用作层间介质。

超大规模集成电路互连系统中低k介质集成技术是90年代中后期为提高Ic 性能而发展起来的一项新技术。

应用低k材料，可以有效降低集成电路的RC互连延迟，减小线间串扰和功率耗散。

氟氧化硅、碳氧化硅、非晶氟化碳、HSQ、空气隙等低k材料具有较好的膜特性及工艺集成能力，适用于ULSI，具有较好的应用前景。

目前，新型低k材料尚未大规模应用在实际集成电路生产工艺中，大部分仍处于实验室开发阶段。

由于低k材料技术难度和成本问题等因素，ITRS 不断修正其预期的低k执行标准。

这也对广大半导体制造商和低k材料技术研究工作者提出了十分紧迫的要求，低k材料技术仍然有很多研究工作有待开展。

参考文献：
[1]. 杨雪娜，王弘，张寅，姚伟峰，尚淑霞，周静涛，刘延辉. High-K材料研
究进展与存在的问题.人工晶体学报，2004年12月，第33卷第5期. [2]. 张邦维. 高K栅极电介质材料与SiO2纳米晶体管. 微纳电子技术，2006年
第3期.
[3]. 苏祥林，吴振宇，汪家友，杨银堂. 低k层间介质研究进展. 微纳电子技术，
2005年第10期.
[4]. Vikas Gupta, Jie-Hua Zhao, Darvin Edwards, Clay Dustin Mortensen, Colby
Heideman, David C. Johnson, Kuan-Hsun ,(Gary) Lu and Paul S. Ho. Ultra Low-K Dielectric Mechanical Property Characterization.
[5]. Hei Wong. The Current Conduction Issues in High-k Gate Dielectrics.。