氢原子层调控技术提升HfO2高k栅介质薄膜质量与电学性能的机理研究

为应对先进半导体节点中栅极漏电流激增的挑战，台湾研究人员创新性提出原子层氢调控（ALHM）技术，通过H2等离子体在ALD工艺中分阶段处理（HAO/HAP），使HfO2介电层漏电流密度降低6个数量级，频率色散显著改善，为纳米器件可靠性提升提供新方案。

　　

随着半导体工艺节点不断微缩，传统SiO₂栅介质因量子隧穿效应导致漏电流指数级增长的问题日益严峻。高介电常数（high-k）材料HfO₂虽能物理增厚介质层而保持等效氧化层厚度不变，但ALD制备过程中前驱体有机配体的空间位阻效应和氧化不充分等问题，仍会导致薄膜缺陷密度升高。台湾大学（National Taiwan University）的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究中，提出革命性的原子层氢调控（ALHM）技术，通过精确控制H₂等离子体在ALD氧化剂脉冲后（HAO）和前驱体脉冲后（HAP）的介入时机，实现HfO₂薄膜质量与电学性能的突破性提升。

研究采用金属氧化物半导体（MOS）电容结构，通过原子层沉积系统（ALD）在p型Si衬底上制备5.3nm HfO₂薄膜，结合高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）和电容-电压（C-V）测试等表征手段，系统分析不同处理模式对薄膜特性的影响。

实验结果揭示：

1. 微观结构：HRTEM显示ALHM处理使界面层厚度从1.2nm减薄至0.8nm，XPS证实HAP处理能有效去除碳残留（C含量从6.1%降至1.3%）。
2. 电学性能：HAO处理通过等离子体能量转移增强表面迁移率，使漏电流密度（J_g）降至10^-7 A/cm²；HAP处理则通过配体清除作用使J_g进一步降低至10^-9 A/cm²，较传统ALD提升6个数量级。
3. 可靠性机制：二次离子质谱（SIMS）证实HAP处理可促进Hf-O键重组，使氧空位浓度降低约40%，这是频率色散改善（从8.2%降至2.1%）的关键因素。

结论与展望：该研究开创的ALHM技术通过"氧化后氢活化（HAO）"和"前驱体后氢清洗（HAP）"双路径协同作用，不仅解决了高k介质中有机残留和氧空位的行业难题，更建立了等离子体能量调控与界面化学反应的全新研究方法。特别值得注意的是，HAP处理对TDMAHf前驱体配体的解离效率达到92%，这一发现为未来设计新型前驱体分子提供了重要指导。研究成果对3nm以下技术节点的栅介质工程具有重大应用价值，相关机理还可拓展至ZrO₂等其他高k材料的精确调控中。