半导体制造的新材料：工艺的革命

　　通过不断的比较材料特性，来寻找适合ALD和CVD使用的高k和金属栅材料前驱物。对于32nm技术节点来讲，材料的挥发性，输运方式以及纯度等问题变得至关重要。

　　Intel和IBM同时宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质，加速了CMOS制造工艺的革命。在传统等比例缩小的基础上，新材料的使用对于维持摩尔定律发挥了越来越重要的作用。随着信息存储和获取量的大幅提升，对于更高k值材料的需求也不断升温，这些材料遍布从氧化铝到稀有金属中任何可用的元素。新材料的使用对于材料生长技术提出了严峻的挑战，同时由于这些元素的前驱物分子具有与众不同的特性，使得其硅片表面的输运变得愈发困难，并且其分解反应复杂程度也提高了许多。

　　本文探讨了新型材料在不同领域的应用，包括：栅极介质、金属栅、电容、电极、阻挡层和籽晶材料以及金属互连材料。针对化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）两项技术，着重研究了未来可能出现的新材料。从前驱物的研发、材料沉积到大规模生产中的各个方面进行了讨论。有些前驱物分子采用了创新科技来改变其化学性质和组分，从而实现其硅片上的输运。最终用户、研究机构以及工业界能够在研发初期达成共识，是保证整个创新过程沿正确方向前进的重要条件。    

　　向45nm技术节点推进

　　2007年1月，随着采用45nm工艺微处理器的发布，标志着在CMOS制造工艺中引入新材料的时代正式到来。新发布的微处理器率先采用了铪基高k介电材料和新型栅极金属电极材料，共同改善处理器中晶体管的性能。这个转变标志着半导体工业已经开始选用周期表中的非元素，即硅、氧、氮和碳以外的元素。一般认为单纯依靠等比例缩小已经不足以满足硅器件性能的持续增长。创新来自引入元素周期表中的新元素，这已经成为驱动器件性能提高的主要动力。

　　当然，这种转变不是一夜之间发生的。早在2002年之前，就已经开始研究可以代替二氧化硅和氮氧化合物的栅极绝缘材料。1999年的国际半导体技术蓝图（ITRS）已经提到了向IC制造工艺中引入新材料的想法。业界已经很清楚地认识到：当栅氧厚度小于2nm时，漏电流将大幅提高，高介电常数材料由于可以允许更厚的栅介电材料，从而降低漏电流，并成为必需。Wallace和Wilk1表示关于选择恰当的高k材料，满足介电常数、热力学稳定性、栅极电极兼容和界面层稳定性等生产上的要求。Scholm和Haeni更加深入地在元素周期表中搜索具有热力学稳定性的可替代氮氧化物的栅介质材料；这些材料是由铪、锆以及稀有金属化合物组成的。 

　　新材料的开发并不仅局限于高k栅介质和金属栅材料。潜在的应用领域还包括：电容介质材料、互连层、金属接触材料。对于那些从事化学和材料科学的技术人员来讲，现在正是一个发展的黄金时期。元素周期表3（图1）展示了学术界、原始设备制造商（OEM）、独立器件制造商（IDM）以及材料工艺商之间相互合作，在不同阶段对于新材料的探索过程。我们不能过分强调这种合作的重要性，因为新材料的开发过程需要每一个合作者的大量投入。

　　在半导体工艺中引入新材料，需要一系列具有恰当特性的新型分子先驱物。CVD和ALD都是可行的材料沉积方法。对于平坦表面，ALD技术可以在很大范围内实现原子尺度且厚度均匀的薄膜沉积；对于非平坦结构，可以获得良好的台阶覆盖。因此，伴随特征尺寸的缩小，ALD技术变得越来越受人青睐。随着3D晶体管的问世，对于薄膜厚度均匀性和台阶覆盖率要求的提高，使得ALD成为一项必需的技术，并且推动着新型分子前驱物的使用。对于适用于ALD技术的分子前驱物，有如下要求：

　　■在沉积温度下保持热稳定

　　■具有可挥发性，输运温度下可以>50mT

　　■能够经过恰当的化学反应，最终形成氧化物、氮化物、碳化物或者分解成金属

　　■在满足工艺要求的前提下，成本要可以接受

　　不同类型的半导体Fab对于ALD技术的接受程度各不相同，其中以DRAM厂商最为推崇。大部分电容材料，例如：Al2O3、HfO2和ZrO2，ALD技术。对于栅介质材料，ALD技术刚刚开始采用，而对于闪存技术，目前还未采用这项技术。