面向先进CMOS技术的高可扩展性超薄EOT HfO2-ZrO2-HfO2栅堆叠在25纳米栅长FinFET中的演示

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Demonstration Highly Scalability of Ultra-Thin EOT HfO2-ZrO2-HfO2 Gate Stacks With 25 nm Lg FinFET for Advanced CMOS Technology

本文推荐一项针对先进CMOS技术中栅极介电层等效氧化层厚度（EOT）缩放挑战的研究。研究人员通过引入厚度比例可控的HfO2-ZrO2-HfO2（TPC-HZH）超晶格栅堆叠，在物理栅长（Lg）缩至25纳米的FinFET上实现了0.71纳米超薄EOT。结果表明，该结构相比传统HfO2器件驱动电流（ION）提升38%，跨导提高54%，且未出现迁移率退化，同时保持优异的短沟道效应抑制能力和可靠性（TDDB、NBTI）。该研究为未来先进节点晶体管提供了高性能、高可靠性的栅堆叠解决方案。

　　

在硅基晶体管技术持续微缩的浪潮中，集成密度与性能的提升始终伴随着严峻的物理挑战。当晶体管的物理尺寸，特别是栅极长度（L_g），进入纳米尺度后，如何有效控制栅极对沟道的静电控制能力，抑制短沟道效应（SCE），并进一步提升驱动电流，成为制约技术发展的关键瓶颈。其中，栅极介电层的等效氧化层厚度（EOT）缩放至关重要，更薄的EOT意味着更强的栅控能力和更高的导通电流。然而，传统的EOT缩放路径，如减薄介电层物理厚度、进行界面层（IL）清除（Scavenging）或寻找更高介电常数（κ）的材料，往往陷入两难境地：要么引发载流子迁移率退化，要么牺牲器件的长期可靠性（如时间依赖介电层击穿，TDDB，和负偏压温度不稳定性，NBTI）。近年来，掺杂HfO₂薄膜中铁电性（FE）的发现为这一问题带来了新的曙光。铁电材料因其独特的负电容（NC）效应有望增强栅控能力，而HfO₂基铁电材料与现有CMOS工艺的良好兼容性使其备受关注。在此背景下，一种新型的HfO₂-ZrO₂-HfO₂（HZH）超晶格栅堆叠结构应运而生，它被认为能够通过调控铁电/反铁电相比例或展现“更高κ”特性来提升整体介电常数，从而在不减薄界面层的前提下实现EOT缩放，有望避免迁移率与可靠性的牺牲。但一个悬而未决的问题是，这种基于超晶格的电容增强效应是否会随着晶体管栅长的急剧缩小而减弱，从而影响其在最先进节点器件中的性能？为了回答这个问题，研究人员开展了一项深入的研究，相关成果发表在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上。

本研究主要采用了以下几项关键技术方法：基于200毫米硅衬底制备三维体硅FinFET，采用自对准间隔层图像转移（SIT）技术形成鳍片，并通过直写电子束光刻定义不同栅长（25纳米至500纳米）。栅堆叠方面，在臭氧氧化形成0.8纳米SiO₂界面层后，利用原子层沉积（ALD）技术分别生长2.4纳米厚的TPC-HZH（Hf:Zr:Hf循环比为7:21:7）和传统HfO₂薄膜作为高κ介电质，并在450°C下进行形成气体退火（FGA）。表征手段包括透射电子显微镜（TEM）与能量色散X射线光谱（EDX）分析薄膜结构与成分，半导体参数分析仪进行电容-电压（C-V）、漏电流-电压（J_g-V）、转移特性（I_DS-V_GS）、输出特性（I_DS-V_DS）测量，并评估了界面陷阱密度（D_it）、TDDB和NBTI可靠性。

栅堆叠材料的电容与可靠性表征

研究人员首先制备了金属氧化物半导体电容（MOSCAP）来评估TPC-HZH超晶格和传统HfO₂薄膜的本征特性。经过450°C退火后，C-V曲线显示TPC-HZH薄膜具有明显的电容增强。通过基于量子力学效应的C-V模拟器提取EOT，发现传统2.4纳米HfO₂的EOT为1.01纳米，而相同物理厚度的TPC-HZH的EOT降至0.71纳米，缩减了29.7%。在漏电特性方面，TPC-HZH在V_g-V_fb = -1 V处的栅极漏电流密度（J_g）约为5×10^-2 A/cm²，与HfO₂处于同一量级，表明EOT的显著缩减并未牺牲栅极漏电性能。

界面质量对于器件性能至关重要。通过电导法提取的界面陷阱密度（D_it）能量分布显示，经过450°C退火后，两种器件的D_it性能相当，证明了TPC-HZH薄膜在先进CMOS工艺中的可行性。在可靠性方面，TDDB分析表明，TPC-HZH电容在4.56 MV/cm的电场下和HfO₂电容在4.38 MV/cm的电场下均能达到十年寿命，证明TPC-HZH基MOSCAP的TDDB可靠性未受影响。

25纳米栅长FinFET的器件性能

得益于优异的EOT和热稳定性，研究人员将2.4纳米TPC-HZH集成到p型FinFET中，以研究其“尺寸效应”。

在物理栅长（L_g）为25纳米的FinFET上，TPC-HZH器件在相似的关态电流（I_OFF）下，表现出比传统HfO₂器件更高的开态电流（I_ON）。I_DS-V_DS特性曲线也显示，由于EOT缩放，TPC-HZH FinFET在各种过驱动电压下均具有更高的I_DS和优异的饱和特性。提取的跨导（G_m）显示，TPC-HZH基FinFET的G_m增强了约54%，表明其具有更好的栅极控制能力。

为了评估超晶格结构对器件迁移率的影响，研究人员比较了具有相同物理厚度的TPC-HZH和HfO₂基晶体管。在排除接触电阻影响后，TPC-HZH基器件的最大迁移率约为12 cm²V^-1s^-1，而HfO₂基器件约为10 cm²V^-1s^-1。这表明与HfO₂基器件相比，TPC-HZH基FinFET没有出现迁移率退化，这归因于其未采用界面层清除技术，从而保留了良好的界面特性。

栅长缩放下的性能与短沟道效应

对约50个器件的统计结果显示，在相同的I_OFF水平下，25纳米L_g的TPC-HZH FinFET的I_ON比HfO₂ FinFET提高了约38%。

研究人员进一步研究了I_ON特性随L_g缩小的演变。当L_g从500纳米缩小到25纳米时，TPC-HZH FinFET的I_ON增强效应始终得以保持。在L_g为500纳米时，I_ON增强约50%；在L_g为25纳米时，I_ON增强仍达38%，证明TPC-HZH FinFET的栅长缩放不存在限制。

在短沟道效应抑制方面，亚阈值摆幅（SS）和漏致势垒降低（DIBL）的分布表明，在所有L_g下，HZH-FinFET都表现出优异的短沟道效应免疫能力，尤其是在短L_g下。当L_g从500纳米缩放到25纳米时，传统HfO₂-FinFET的SS恶化了约5 mV/dec，而HZH-FinFET仅恶化了约2 mV/dec，显示出比HfO₂器件更强的静电控制能力。

阈值电压（V_TH）的统计结果显示，尽管两种器件都因工艺波动而表现出一定的分散性，但TPC-HZH和HfO₂基FinFET的V_TH中值分别为约-393 mV和-373 mV，平均值分别为约-401 mV和-376 mV，两者相差约25 mV。这表明TPC-HZH FinFET没有显著的V_TH漂移，界面电荷密度控制良好。

负偏压温度不稳定性（NBTI）可靠性

最后，研究人员对p型FinFET进行了负偏压温度不稳定性（NBTI）测量，以评估界面质量和陷阱诱导效应对可靠性的影响。

在不同过驱动电压（V_overdrive）条件下测量的阈值电压漂移（ΔV_T）表明，对于固定的V_overdrive，HZH的ΔV_T退化趋势与HfO₂基本相当。在1000秒应力时间后，两种器件的ΔV_T随ΔV_overdrive的增加而变得更为明显，但退化速率基本保持一致，这与已报道的高κ HfO₂堆叠结果相似。考虑到两者具有相似的界面氧化物和界面层-高κ界面，且均未清除界面SiO₂，这一结果表明TPC-HZH基FinFET在维持EOT缩放的同时，其可靠性并未出现退化。

研究结论与意义

本项研究成功演示了基于TPC-HZH超晶格栅堆叠的EOT缩放FinFET在不同栅长下的优异性能。得益于TPC-HZH栅介电堆叠EOT约30%的缩减，即使在最小的栅长（约25纳米）下，TPC-HZH基FinFET也实现了38%的I_ON提升和54%的G_m改善。尤为重要的是，与HfO₂材料相比，超晶格栅在迁移率以及可靠性测试（D_it、TDDB、NBTI）方面均未出现性能退化。此外，TPC-HZH FinFET还改善了短沟道效应免疫能力，包括SS和DIBL。这些发现突显了TPC-HZH超晶格栅堆叠在超越传统基于HfO₂的高介电常数材料方面的巨大潜力，为未来先进节点CMOS技术提供了一条高性能、高可靠性的技术路径。