铪基稀土金属多元氧化物高K栅介质的基础研究

高k栅介质是32纳米以下技术节点极大规模集成电路的关键材料。从集成电路的发展进程来看，铪基氧化物已成功解决了45纳米技术节点的关键技术难题，也必将是未来32纳米以下技术节点发展所需的关键材料。.然而，与几近完美的二氧化硅栅介质相比，铪基氧化物栅介质仍存在着禁带宽度偏小、离子键特性过强、缺陷态密度过高以及与Si基器件兼容性较差等科学问题，还很难满足32纳米以下技术节点对栅介质更为苛刻的要求。.为此，本项目拟开展如下研究工作：铪基稀土多元氧化物电子能带结构、化学键特性等基础问题及体缺陷和界面缺陷形成机理及抑制机制的研究；稀土元素对改善高k/Si界面特性以及提高载流子迁移率作用机理的研究；铪基稀土多元氧化物高k栅介质可靠性及CMOS器件兼容性的研究。.期待通过本项目的实施，为32纳米及以下技术节点的技术进步以及国家中长期规划极大规模集成电路专项的实施，提供科学的指导依据及可行的解决方案。

从集成电路的发展进程来看，铪基氧化物已成功解决了45纳米技术节点的关键技术难题，也必将是未来32纳米以下技术节点发展所需的关键材料。然而，与几近完美的二氧化硅栅介质相比，铪基氧化物栅介质仍存在着禁带宽度偏小、离子键特性过强、缺陷态密度过高以及与Si基器件兼容性较差等科学问题，还很难满足32纳米以下技术节点对栅介质更为苛刻的要求。.本项目开展了铪基稀土多元氧化物电子能带结构、化学键特性等基础问题及体缺陷和界面缺陷形成机理及抑制机制的研究；稀土元素对改善高k/Si界面特性以及提高载流子迁移率作用机理的研究；铪基稀土多元氧化物高k栅介质可靠性及CMOS器件兼容性的研究。.钆掺杂铪基氧化物能带结构与化学键特性的第一性原理计算表明，Gd掺杂的HfO2禁带宽度增大的起源来自Hf5d和Gd5d之间的d-d耦合作用而形成的反键电子态。实验研究表明，随着Gd/Hf比率的升高，带隙略有增大，价带偏移是先减小后增大，而导带偏移是先增大后减小。通过开展稀土对铪基氧化物电子能带结构的影响及作用机理的研究，实现了对新型高k禁带宽度和带偏移量的设计，有效改善了新型铪基稀土氧化物高k栅介质的漏电流性能和介电性能。.揭示了稀土元素对铪基氧化物栅介质中缺陷态形成机制以及缺陷态密度控制的作用规律。合适的稀土加入量可以抑制HfO2中的氧空位。.开展了优化外延或磁控共溅、ALD制备新型高k薄膜的工艺及沉积后退火处理工艺研究，改善了新型稀土-铪基高k/Si衬底的界面特性及电性能。以稀土氧化物作为界面控制层，获得了对高k/新型半导体界面与电学性能的调控。.研究新型栅介质时变介电击穿(TDDB)等问题，从可靠性测试的角度来优化工艺条件，有效地提高了威布尔斜率和击穿时间，建立了新型超薄高k栅介质的寿命预测模型。从物理本质上澄清和完善了费米能级钉扎和界面偶极子的物理起源，确定了整个栅结构中的界面态对调整金属栅有效功函数起到关键作用。.本项目开发具有自主知识产权的高k栅介质材料，获得具有低漏电流、高热稳定性、高可靠性及高兼容性的铪基稀土多元氧化物栅介质材料；配合金属栅电极实现了CMOS原型器件的性能验证，为铪基稀土多元氧化物的产前应用技术开发奠定基础。本项目达到预期目标，通过本项目的实施在国内外有影响的期刊和国际会议上发表论文53篇；申请国家发明专利14项，其中已授权5项，已公开8项；培养博硕研究生15名。