通过TiO2掺杂的HfO2中间层实现界面偶极子工程，从而在缩放的高k栅极堆栈中实现平带电压调制

《Materials Science and Engineering: B》：Interface dipole engineering via TiO 2-doped HfO 2 interlayers for flat-band voltage modulation in scaled high-k gate stacks

通过Ti掺杂HfO?（HTO）中间层调控平带电压（VFB），结合原子层沉积（ALD）技术控制掺杂浓度与层间位置，在维持等效氧化物厚度（EOT）优化和漏电流可控的前提下实现VFB显著调整。界面偶极工程由Ti-O-Si与Hf-O-Si键的 electronegativity差异驱动，其中50% Ti掺杂的HTO中间层置于高k介质与硅界面时效果最佳，为先进CMOS技术提供可扩展的VFB调控方案。

　　

许汉芳|吴浩辰|林建观|庄春和|莫志霖|陈敏章

台湾国立大学材料科学与工程系，台北10617，台湾

摘要

在10纳米以下的先进半导体技术节点中，精确控制平带电压（VFB）对于调节阈值电压至关重要。本研究系统地研究了将掺钛的HfO2（HTO）中间层引入金属氧化物半导体电容器中，以调节VFB同时保持良好的电气性能。通过原子层沉积（ALD）超循环制备了约2纳米厚的HTO中间层，并控制了Ti的掺杂浓度，并将其战略性地放置在高k介电堆栈中。结果表明，位于介电层/Si界面的50%掺钛HTO中间层产生了最显著的VFB变化，同时减少了等效氧化层厚度（EOT）和可接受的漏电流密度。这种VFB调节归因于Ti–O–Si和Hf–O–Si键之间电负性的差异所导致的界面偶极工程。此外，VFB与中间层的空间位置密切相关：当HTO中间层位于介电层/Si或金属/介电界面时，VFB变化明显；而当嵌入HfO2基质中时，由于相反偶极的抵消，VFB变化最小。本研究建立了一种有效且可扩展的方法来调节高k栅极堆栈中的偶极，从而实现精确的VFB控制和EOT缩放，为未来的低功耗应用奠定了基础。

引言

在现代互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中，精确控制阈值电压（VTH）对于实现卓越的电路性能和高效的功耗管理至关重要[1]。较差的VTH控制通常会导致过高的功耗，这对移动设备和物联网（IoT）应用尤其令人担忧[2,3]。然而，随着CMOS技术向10纳米以下节点的扩展，传统的VTH调节策略（如修改金属栅极的组成或物理厚度）由于严重的空间限制而变得不那么有效[[4], [5], [6]]。

鉴于VTH与平带电压（VFB）之间的直接相关性[7]，在MOS结构中精确调节VFB可以实现可靠的VTH控制。在各种VFB调节技术中，介电界面处的界面偶极工程显示出明显的优势[[8], [9], [10]]。界面偶极的一个关键优势是它们不依赖于薄膜厚度：VFB的变化幅度由界面化学键合状态决定，而不是由整体介电厚度决定。这一固有特性为VFB调节提供了极大的灵活性，特别是在10纳米以下的技术节点中。组成元素之间的电负性差异为工程化界面偶极提供了一种有效的方法[11]。具体来说，在介电层/Si界面，通过选择性替换金属氧硅（M–O–Si）键合配置中的金属原子，可以精确调节界面偶极[12,13]。例如，在HfO2和Si之间引入Al2O3中间层，可以利用Al–O–Si和Hf–O–Si键之间的偶极差异来诱导VFB变化[12]。然而，Al2O3相对较低的介电常数会导致HfO2高k栅极介电层的等效氧化层厚度（EOT）降低[14]。

为了克服这一限制，TiO2被认为是一种有前途的中间层材料，因为它具有较高的介电常数（k = 30–80）并且与原子层沉积（ALD）工艺兼容[15]。然而，TiO2相对较低的带隙会导致MOS器件中的漏电流显著增加[16]。为了解决这个问题，我们提出了掺钛的TiO2-HfO2（HTO）作为替代中间层，以减轻与TiO2相关的不利影响。Ti和Hf之间的显著电负性差异导致Ti–O–Si和Hf–O–Si键之间的界面偶极有所不同，从而实现了VFB的有效调节。与纯TiO2中间层相比，HTO中间层可以在提高EOT的同时实现高效的VFB控制，并抑制漏电流的增加。

在本研究中，我们通过精确控制Ti的掺杂浓度和中间层在介电堆栈中的位置，系统地研究了HTO中间层对MOS电容器电气性能的影响。使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、X射线光电子光谱（XPS）和半导体器件参数分析仪，对含有HTO中间层的HfO2高k栅极介电层的结构和电气性能进行了彻底表征。结果表明，HTO中间层能够在保持漏电流在可接受水平的同时，优化VFB和EOT，为下一代CMOS技术的高级栅极堆栈工程提供了一种实用且可扩展的解决方案。

实验和方法

图1展示了W/HfO2/HTO/p-Si（100）MOS电容器的示意结构。首先，使用标准协议（依次浸入丙酮、甲醇和去离子水中）清洗了电阻率为1–10 Ω cm的p型Si（100）基板，以去除表面的有机污染物。随后，使用2%的稀氢氟酸溶液去除了基板表面的自然氧化层。紧接着，在Si上沉积了约2纳米厚的HTO中间层

结果与讨论

图2展示了用于制备具有系统控制Ti掺杂浓度（0%、25%、50%、75%和100%）的HTO中间层的ALD超循环的设计。这些浓度是通过调整每个超循环中的ALD循环比例来调节的：(a) 0% Ti掺杂：仅HfO2循环；(b) 25% Ti掺杂：TiO2:HfO2循环的比例=1:3；(c) 50% Ti掺杂：TiO2:HfO2循环的比例=1:1；(d) 75% Ti掺杂：TiO2:HfO2循环的比例=3:1；

结论

总之，我们对含有掺钛HfO2（HTO）中间层的MOS电容器的电气性能进行了系统研究，该中间层嵌入在W/HfO2/p-Si结构中，并仔细调节了Ti的掺杂浓度和HTO中间层的空间位置。实验结果表明，位于介电层/Si界面的2纳米厚、50%掺钛的HTO中间层有效地降低了EOT，同时诱导了最大的正VFB变化

CRediT作者贡献声明

许汉芳：撰写——原始草稿，方法论，研究。吴浩辰：研究，数据管理。林建观：研究。庄春和：形式分析。莫志霖：形式分析。陈敏章：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。

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致谢

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