基于 Hf/Zr 超晶格的高κ栅极介质层经偶极子工程用于先进 CMOS
介观与纳米尺度物理
2025-12-30 v1
摘要
先进逻辑晶体管需要实现亚纳米相当氧化物厚度（EOT）、抑制泄漏，并满足三个关键要求：（i）与 RMG 类高温加工的兼容性，（ii）足够的 Vth 可调性以实现多 Vth 设计，（iii）高器件可靠性。然而，同时满足这三个要求一直困难于传统高κ体系。本工作证明 Hf/Zr 基栅堆可以量化地满足上述条件。在进行 700°C N2 退火后，HZH 超晶格实现了 7.3 Å 的 EOT，低于常规 HfO2 堆叠（8.5 Å），同时保持可比泄漏。将 3 Å Al2O3 偶极子嵌入 HfO2/ZrO2/HfO2 超晶格（HZHA）中，可打破传统偶极子权衡，实现 8.4 Å 的 EOT，低于标准 HfO2/Al2O3 堆叠的 9.0 Å，同时提供超过 200 mV 的平坦带电压位移，从而实现无需牺牲缩放的多 Vth 调谐。此外，在 -2 V 负偏压温度应力下工作于 125°C 持续 100 s 条件下，HZHA 和 HA 均表现出相当的平坦带电压漂移（87 mV 和 97 mV），确认了强 Vth 可调性和亚纳米 EOT 可在不牺牲稳定性的情况下实现。除了这些量化进展，本研究揭示了关于 ultrathin Hf/Zr 多层中偶极子行为和界面扩散的此前未报告的物理见解。这些结果确立了 HZHA 作为兼容 RMG、可调 Vth、低 EOT 介质平台，能够支持超过 1 nm 边缘的逻辑缩放。
引用
@article{arxiv.2512.22505,
title = {Hf/Zr Superlattice-Based High-\k{appa} Gate Dielectrics with Dipole Layer Engineering for Advanced CMOS},
author = {Taeyoung Song and Sanghyun Kang and Yu Hsin Kuo and Jiayi Chen and Lance Fernandes and Nashrah Afroze and Mengkun Tian and Hyoung Won Baac and Changhwan Shin and Asif Islam Khan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.22505},
year = {2025}
}