新型稀土基高k薄膜及其MOS器件的制备和介电性能研究
发布时间：2021-07-27 18:42
随着集成电路集成度的不断提高,作为集成电路最基本单元—场效应晶体管的尺寸也不断缩小。在此过程中,面临的最大的挑战是栅介质层的厚度越来越薄,从而引发无法接受的漏电流和热损耗。由此,人们引入了高介电常数（高k）的材料来代替传统栅介质材料SiO2,目前工业化使用的高k材料为HfO2,但是其介电常数较低（≤20）,结晶温度低（<500℃）等缺点,只能满足未来几年集成电路发展的需求,所以为了集成电路长远发展,需要开发出新型高k栅介质材料代替HfO2。在众多高k材料候选中,稀土氧化物凭借较高介电常数、高禁带宽度和优异热稳定性等优势脱颖而出,但是,单一稀土氧化物的介电常数与HfO2相差不大,所以合理的结构设计是提高稀土氧化物介电性能的关键环节。此外,在介质材料中,介电常数和禁带宽度往往成反比,即在一种材料中很难同时实现高介电常数和高禁带宽度的统一,这是设计栅介质材料的难点所在。本论文通过磁控溅射制备了一系列稀土氧化物薄膜,通过掺杂或者叠层的方式,着重调控介电常数和禁带宽度两个参数,使其满足作为栅介质材料的要求,为新型栅介质材料的设计提供了新思路。主要研究包括:（1）研究了二元稀土氧化物薄膜制备...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１芯片的制造过程??集成电路的发展历程如图２－２所示，１９４６年世界上第一台计算机诞生，??它包含１８０００个电子管，占地１５０平方米，重达３０吨，１９４７年第一台点接??
不难发现，集成电路技术相继经历了小规模（ＳＳＩ）、中规模（ＭＳＩ）、大规模??（ＬＳＩ）、超大规模（ＶＬＳＩ）、特大规模（ＵＬＳＩ）的发展历程［１６＿１８］。未来，集成??电路依然向着小型化、低功耗、智能化和高可靠性方向不断发展。??關，■??１９４６年，第?＾９５２年’进中僮?１９５９年，Ｎｏｙｃｅ??ｑ算机单晶制ｆ?Ｉ术ｉｆｆ??１?曰接触?１９５８年，第一块１９６０年，?８０年代起，ＣＭＯＳ??日日体《诞生?丨Ｃ板诞生?Ｋａｎｇ＇?Ａｔａｌｌａ技术成为主流??Ｉｅ；??图２－２集成电路发展历史??集成电路集成度的提高基本遵循了英特尔公司创始人之一的Ｇｏｒｄｏｎ??Ｍｏｏｒｅ在１９６５年预言的摩尔定律，即单块芯片上所集成的晶体管的数目大约??每两年增加一倍，即不断减小器件的尺寸，进而能够在相同的面积上集成更??多的器件数量，从而实现芯片功能的提升和成本的降低从图２＿３?（ａ）中可??以看出虽然近年来逻辑电路中的最小特征尺寸的缩放变缓，约为０．７倍，但??是整体还是呈现下降趋势，从图２－３?（ｂ）中也可以看出，Ｉｎｔｅｌ公司在过去五代??中扩展逻辑电路面积也呈现不断下降的趋势［２（）１。??（ａ）?ＷＲ￣?ｒ＊０?（ｂ＞??，．？＞．？？?＊＾＼卜??ｓ?Ｘ?Ｉ??Ｉ??〇．〇，?■?＞ｉ＞?？?ｗ??＇、?》〇ｎｍ＊＊＊、??〇？Ｍ??１???＇?＇?＇?〇．〇，?Ｉ——，■，十．，，?，????，???ｉｇ７〇?＊９？〇?？９９〇?３０００?３〇ｉ〇?２０２０?Ｊ〇３〇?３００７?２００６?３００＠?２０１０?３０？?３０１２?Ｘ＞ｉ３?９０１４?
ｎｍ工艺，集成了?８５亿个晶体管，速度提升２０％，１万亿次??操作／秒，功耗降低３０％，续航比上一代增加５小时［气目前实验室着力开发??５－３?ｎｍ工艺［２３＿２５］。所以目前集成电路的发展趋势依然是特征尺寸越来越小，??集成度越来越高。??Ｓｈａｎｋｉｎｇ?＾．Ｌｔ??Ｎｕｍ＾ｒ?ｍ４?ｌ？ｎ§ｌｈ?ｏｈａｍｓｔｍ?ｂｏｕｇｈｔ?ｐｅｒ?￥?類??ｌｔｅ？??６ｆ?＾ＨＰ?２０１２?３０１４＊?２０ｔＳ＊??Ｚｒ??－??ｍｕ??脑??ｓａｗｓｎｅｆｌＢ｛？ｉ＾??Ｍ２??图２－４芯片尺寸缩小示意图??针对我国集成电路发展现状而言，由于起步较晚，我国的微电子产业的??发展相对滞后于国外的一些发达国家，芯片的自给率严重不足，目前主要依??靠进口，据统计［３］，２０１８年我国集成电路出口金额为８６０．１５亿美元，进口金??额为３１６６．８１亿美元，贸易逆差同比增长１１．２１％。２０１５年起集成电路的进口??金额连续４年超过原油，成为我国第一大进口商品。我国集成电路制造水平??落后国际先进水平两代以上，先进制程的缺失限制新应用领域集成电路发展。??目前台积电等企业７?ｎｍ工艺己经量产，中芯国际公司在２８?ｎｍ节点就开始??落后，目前实现１４?ｎｍ量产，华虹在实现２８?ｎｍ量产以后，在积极布局１４?ｎｍ??研发，大陆地区明显落后于台湾［２６〗，所以，推动集成电路发展己经上升至国??家工业发展的重中之重，芯片国产化率亟待提高。但令人高兴地是，我国集??成电路的发展正处于快速追赶阶段，且增速明显，２０１６－２０１９年间，设计领域??保持着２０％以上的增速，制造领域保持着２５％以上，增长势头强劲［２７］。??２．１．２场效
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ta-doped modified Gd2O3 film for a novel high k gate dielectric[J]. Shuan Li,Yanqing Wu,Guoling Li,Hongen Yu,Kai Fu,Yong Wu,Jie Zheng,Wenhuai Tian,Xingguo Li. Journal of Materials Science & Technology. 2019(10)
[2]2018年全球半导体领域规划与发展态势分析[J]. 王立娜,唐川,房俊民,张娟,田倩飞,徐婧. 世界科技研究与发展. 2019(02)
[3]Atomic-layer-deposited （ALD） Al2O3passivation dependent interface chemistry, band alignment and electrical properties of HfYO/Si gate stacks[J]. Shuang Liang,Gang He,Die Wang,Fen Qiao. Journal of Materials Science & Technology. 2019(05)
[4]中国集成电路产业的发展趋势[J]. 方大卫. 电子世界. 2019(05)
[5]发展中国集成电路产业的“中国梦”[J]. 王阳元. 科技导报. 2019(03)
[6]集成电路器件工艺先导技术研究进展[J]. 叶甜春. 科技导报. 2019(03)
[7]集成电路的现状及其发展趋势[J]. 王博轩,布音嘎日迪. 科技创新导报. 2019(05)
[8]新形势下全球稀土供需结构的变化及我国稀土开发模式的探讨[J]. 韦世强,张亮玖,杨金涛,周慧荣,江泽佐. 稀有金属与硬质合金. 2018(04)
[9]稀土金属中间隙杂质的纯化进展研究[J]. 李国玲,傅凯,李星国. 中国稀土学报. 2017(04)
[10]集成电路的基本常识[J]. 吴运. 中国科技信息. 2015(06)
博士论文
[1]钇掺杂氧化铪薄膜结构和介电及铁电性能研究[D]. 张昱.大连理工大学 2018
[2]稀土金属钆铽高纯化过程与机理研究[D]. 李国玲.北京科技大学 2016
[3]基于高k栅介质的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体MOS器件研究[D]. 王晨.复旦大学 2012
本文编号：3306334
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１芯片的制造过程??集成电路的发展历程如图２－２所示，１９４６年世界上第一台计算机诞生，??它包含１８０００个电子管，占地１５０平方米，重达３０吨，１９４７年第一台点接??
不难发现，集成电路技术相继经历了小规模（ＳＳＩ）、中规模（ＭＳＩ）、大规模??（ＬＳＩ）、超大规模（ＶＬＳＩ）、特大规模（ＵＬＳＩ）的发展历程［１６＿１８］。未来，集成??电路依然向着小型化、低功耗、智能化和高可靠性方向不断发展。??關，■??１９４６年，第?＾９５２年’进中僮?１９５９年，Ｎｏｙｃｅ??ｑ算机单晶制ｆ?Ｉ术ｉｆｆ??１?曰接触?１９５８年，第一块１９６０年，?８０年代起，ＣＭＯＳ??日日体《诞生?丨Ｃ板诞生?Ｋａｎｇ＇?Ａｔａｌｌａ技术成为主流??Ｉｅ；??图２－２集成电路发展历史??集成电路集成度的提高基本遵循了英特尔公司创始人之一的Ｇｏｒｄｏｎ??Ｍｏｏｒｅ在１９６５年预言的摩尔定律，即单块芯片上所集成的晶体管的数目大约??每两年增加一倍，即不断减小器件的尺寸，进而能够在相同的面积上集成更??多的器件数量，从而实现芯片功能的提升和成本的降低从图２＿３?（ａ）中可??以看出虽然近年来逻辑电路中的最小特征尺寸的缩放变缓，约为０．７倍，但??是整体还是呈现下降趋势，从图２－３?（ｂ）中也可以看出，Ｉｎｔｅｌ公司在过去五代??中扩展逻辑电路面积也呈现不断下降的趋势［２（）１。??（ａ）?ＷＲ￣?ｒ＊０?（ｂ＞??，．？＞．？？?＊＾＼卜??ｓ?Ｘ?Ｉ??Ｉ??〇．〇，?■?＞ｉ＞?？?ｗ??＇、?》〇ｎｍ＊＊＊、??〇？Ｍ??１???＇?＇?＇?〇．〇，?Ｉ——，■，十．，，?，????，???ｉｇ７〇?＊９？〇?？９９〇?３０００?３〇ｉ〇?２０２０?Ｊ〇３〇?３００７?２００６?３００＠?２０１０?３０？?３０１２?Ｘ＞ｉ３?９０１４?
ｎｍ工艺，集成了?８５亿个晶体管，速度提升２０％，１万亿次??操作／秒，功耗降低３０％，续航比上一代增加５小时［气目前实验室着力开发??５－３?ｎｍ工艺［２３＿２５］。所以目前集成电路的发展趋势依然是特征尺寸越来越小，??集成度越来越高。??Ｓｈａｎｋｉｎｇ?＾．Ｌｔ??Ｎｕｍ＾ｒ?ｍ４?ｌ？ｎ§ｌｈ?ｏｈａｍｓｔｍ?ｂｏｕｇｈｔ?ｐｅｒ?￥?類??ｌｔｅ？??６ｆ?＾ＨＰ?２０１２?３０１４＊?２０ｔＳ＊??Ｚｒ??－??ｍｕ??脑??ｓａｗｓｎｅｆｌＢ｛？ｉ＾??Ｍ２??图２－４芯片尺寸缩小示意图??针对我国集成电路发展现状而言，由于起步较晚，我国的微电子产业的??发展相对滞后于国外的一些发达国家，芯片的自给率严重不足，目前主要依??靠进口，据统计［３］，２０１８年我国集成电路出口金额为８６０．１５亿美元，进口金??额为３１６６．８１亿美元，贸易逆差同比增长１１．２１％。２０１５年起集成电路的进口??金额连续４年超过原油，成为我国第一大进口商品。我国集成电路制造水平??落后国际先进水平两代以上，先进制程的缺失限制新应用领域集成电路发展。??目前台积电等企业７?ｎｍ工艺己经量产，中芯国际公司在２８?ｎｍ节点就开始??落后，目前实现１４?ｎｍ量产，华虹在实现２８?ｎｍ量产以后，在积极布局１４?ｎｍ??研发，大陆地区明显落后于台湾［２６〗，所以，推动集成电路发展己经上升至国??家工业发展的重中之重，芯片国产化率亟待提高。但令人高兴地是，我国集??成电路的发展正处于快速追赶阶段，且增速明显，２０１６－２０１９年间，设计领域??保持着２０％以上的增速，制造领域保持着２５％以上，增长势头强劲［２７］。??２．１．２场效
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ta-doped modified Gd2O3 film for a novel high k gate dielectric[J]. Shuan Li,Yanqing Wu,Guoling Li,Hongen Yu,Kai Fu,Yong Wu,Jie Zheng,Wenhuai Tian,Xingguo Li. Journal of Materials Science & Technology. 2019(10)
[2]2018年全球半导体领域规划与发展态势分析[J]. 王立娜,唐川,房俊民,张娟,田倩飞,徐婧. 世界科技研究与发展. 2019(02)
[3]Atomic-layer-deposited （ALD） Al2O3passivation dependent interface chemistry, band alignment and electrical properties of HfYO/Si gate stacks[J]. Shuang Liang,Gang He,Die Wang,Fen Qiao. Journal of Materials Science & Technology. 2019(05)
[4]中国集成电路产业的发展趋势[J]. 方大卫. 电子世界. 2019(05)
[5]发展中国集成电路产业的“中国梦”[J]. 王阳元. 科技导报. 2019(03)
[6]集成电路器件工艺先导技术研究进展[J]. 叶甜春. 科技导报. 2019(03)
[7]集成电路的现状及其发展趋势[J]. 王博轩,布音嘎日迪. 科技创新导报. 2019(05)
[8]新形势下全球稀土供需结构的变化及我国稀土开发模式的探讨[J]. 韦世强,张亮玖,杨金涛,周慧荣,江泽佐. 稀有金属与硬质合金. 2018(04)
[9]稀土金属中间隙杂质的纯化进展研究[J]. 李国玲,傅凯,李星国. 中国稀土学报. 2017(04)
[10]集成电路的基本常识[J]. 吴运. 中国科技信息. 2015(06)
博士论文
[1]钇掺杂氧化铪薄膜结构和介电及铁电性能研究[D]. 张昱.大连理工大学 2018
[2]稀土金属钆铽高纯化过程与机理研究[D]. 李国玲.北京科技大学 2016
[3]基于高k栅介质的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体MOS器件研究[D]. 王晨.复旦大学 2012
本文编号：3306334
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