氧后沉积退火调控HfO2 -ZrO2 纳米叠层高k介电性能的机理研究及其在MOS电容中的应用

为解决高k材料HfO2 -ZrO2 纳米叠层结构中氧空位导致的漏电流增加和介电常数降低问题，韩国研究人员通过调控氧后沉积退火（PDA）的氧气流量（30-50 sccm），发现50 sccm处理使样品介电常数提升至25.1，漏电流密度低于10-8 A/cm2 （1 V下），同时促进t相形成。该研究为3D器件（如FinFET、GAA）提供了低温工艺兼容的高k材料解决方案。

　　

随着半导体器件尺寸微缩至45 nm技术节点以下，传统SiO₂
介电层因量子隧穿效应面临物理极限，高k材料HfO₂
和ZrO₂
成为替代选择。然而，HfO₂
存在界面缺陷导致的迁移率下降，ZrO₂
则因热稳定性差和漏电流高制约应用。更棘手的是，3D器件（如FinFET和环栅晶体管）要求介电材料在超薄（<3 nm）状态下仍保持高电容和低漏电特性。韩国国立研究基金会团队针对这一挑战，创新性地采用HfO₂
-ZrO₂
纳米叠层结构（HZO），通过精确调控氧后沉积退火工艺，成功实现介电性能突破，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究团队采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）在250°C下制备10 nm厚5层HZO纳米叠层薄膜，以TDMAH和TEMAZ为前驱体。通过450°C氧PDA处理（30-50 sccm流量梯度）调控材料特性，结合XPS分析化学键合状态，AFM观察晶粒尺寸变化，并系统测试I-V和C-V特性。

Device Fabrication Processes
采用p型硅衬底，通过PEALD精确控制HfO₂
和ZrO₂
的交替沉积，形成周期性纳米叠层结构。PDA处理中氧流量变化显著影响薄膜结晶行为。

Results and Discussion
氧流量增加至50 sccm时，电容密度提升46%（2.5 μF/cm²
），介电常数达25.1。XPS证实高氧环境促进C-O键形成，使晶粒尺寸减小至临界值（~8 nm），诱导亚稳态四方相（t相）形成。但过量氧导致导带偏移降低，使50 sccm样品在>1 V时漏电流骤增10倍。

Conclusion
该研究首次阐明氧PDA通过三重机制调控HZO性能：①抑制氧空位降低漏电；②纳米晶粒稳定高k值t相；③优化界面化学态。为3D DRAM和氧化物沟道器件提供了可低温加工的高k解决方案，其50 sccm工艺参数对实现k值与漏电的平衡具有指导意义。

重要意义
突破传统HfO₂
/ZrO₂
单层膜的性能瓶颈，通过纳米叠层设计和氧工程协同优化，满足先进器件对介电材料"高k-低漏电-薄层厚"的严苛要求，为后摩尔时代器件开发提供新思路。Hyungtak Seo团队提出的低温工艺方案特别适用于热敏感的新型存储器和逻辑器件集成。