本书旨在向材料及微电子集成相关专业的高年级本科生、研究生及从事材料与器件集成行业的科研人员介绍栅介质材料制备与相关器件集成的专业技术。本书共10章，包括了集成电路的发展趋势及后摩尔时代的器件挑战，栅介质材料的基本概念及物理知识储备，栅介质材料的基本制备技术及表征方法； 着重介绍了栅介质材料在不同器件中的集成应用，如高κ与金属栅、场效应晶体管器件、薄膜晶体管器件、存储器件及神经形态器件等。本书包含栅介质材料的基本制备技术，同时突出了栅介质材料在器件应用中的先进性和前沿性，反映了后摩尔时代器件集成的最新研究进展，是理论与实践应用的有机结合。

第1章 绪论
1.1 引言
1.2 集成电路发展及趋势
1.2.1 集成电路的介绍
1.2.2 集成电路的现状
1.2.3 集成电路的发展趋势
1.2.4 我国集成电路产业前景展望
1.3 后摩尔时代新材料、新技术及新挑战
1.3.1 工艺新材料
1.3.2 新器件结构
1.3.3 工艺新技术
1.3.4 后摩尔时代集成电路展望与挑战
课后习题
参考文献
第2章 高κ栅介质的物理基础
2.1 高κ栅介质的基本概念及优势
2.1.1 高κ栅介质的引入
2.1.2 高κ栅介质的优势
2.2 高κ栅介质的结构调控及理论机制
2.2.1 高κ栅介质的MOS电容结构
2.2.2 高κ栅介质的理论机制
2.3 高κ栅介质的选择要求
2.4 高κ栅介质的分类及特点
2.4.1 硅的氮（氧）化物及其特点
2.4.2 ⅢA族金属氧化物
2.4.3 ⅣB族和ⅤB族过渡金属氧化物
2.4.4 ⅢB族稀土金属氧化物
2.5 高κ栅介质面临的问题和挑战
课后习题
参考文献
第3章 高κ栅介质的制备及表征
3.1 高κ栅介质材料的制备
3.1.1 真空蒸镀法
3.1.2 磁控溅射法
3.1.3 原子层沉积法
3.1.4 分子束外延法
3.1.5 脉冲激光沉积法
3.1.6 溶液基制备方法
3.2 高κ柵介质性能的表征
3.2.1 光学性能的表征
3.2.2 热重性能的表征
3.2.3 结晶性能的表征
3.2.4 化学局域态的表征
3.2.5 表面形貌的表征
3.2.6 界面微结构的表征
3.2.7 润湿性能的表征
课后习题
参考文献
第4章 稀土基高κ栅介质及MOS器件集成
4.1 稀土简介
4.1.1 稀土元素、分类及资源现状
4.1.2 稀土特性
4.1.3 稀土与微纳电子制造
4.2 稀土基高κ栅介质
4.2.1 稀土基高κ栅介质优势
4.2.2 稀土基高κ栅介质存在的问题
4.3 稀土基高κ栅介质研究现状
4.3.1 单一稀土氧化物高κ栅介质
4.3.2 掺杂改性稀土基高κ栅介质
4.3.3 稀土氮氧化物高κ栅介质
4.3.4 叠层复合稀土基高κ栅介质
4.4 稀土基高κ栅介质的界面调控
4.4.1 稀土基高κ栅介质的界面问题
4.4.2 稀土基高κ栅介质的界面调控措施
4.5 稀土基高κ栅介质MOS器件漏电机制
4.5.1 肖特基发射
4.5.2 PF发射
4.5.3 FN隧穿
4.5.4 直接隧穿
课后习题
参考文献
第5章 硅基高κ栅介质和金属栅极集成
5.1 MOSFET器件的微缩和性能改进
5.2应用于亚0.1 μm MOS器件栅叠层的栅介质材料所面临的迫切问题
5.2.1 SiO2栅介质
5.2.2 多晶硅电极
5.3应用于亚0.1 μm MOS器件栅叠层的栅介质材料
5.3.1 高κ栅介质
5.3.2 金属栅电极
5.4 高κ/金属栅结构MOS器件可靠性问题
5.4.1 阈值电压的温偏不稳定性
5.4.2 热载流子注入
5.4.3 时变击穿特性
5.4.4 应力诱生的栅极漏电流
课后习题
参考文献
第6章 高κ栅介质与高迁移率场效应器件集成
6.1 场效应晶体管
6.1.1 场效应晶体管的分类
6.1.2 金属氧化物半导体场效应晶体管
6.1.3 栅源电压VGS对ID及沟道的控制作用
6.1.4 漏源电压VDS对ID及沟道的影响
6.1.5 特性曲线和电流方程
6.2 高迁移率场效应晶体管
6.3 Ge基场效应器件
6.3.1 金属/Ge界面费米能级钉扎
6.3.2 Ge沟道场效应晶体管的源漏问题
6.3.3 Ge沟道场效应晶体管的MOS界面
6.4 GaAs基场效应晶体管
6.4.1 GaAs场效应晶体管的发展历程
6.4.2 GaAs场效应晶体管栅介质的选择
6.4.3 GaAs表面钝化技术
6.5 其他高迁移率场效应晶体管
6.5.1 InP场效应晶体管
6.5.2 GaN场效应晶体管
6.5.3 SiC场效应晶体管
6.6 高迁移率场效应器件的优势与挑战
课后习题
参考文献
第7章 高κ栅介质与金属氧化物薄膜晶体管器件集成
7.1 薄膜晶体管
7.1.1 TFT发展历程
7.1.2 TFT结构及工作原理
7.1.3 TFT器件电学特性曲线及参数提取
7.1.4 TFT与MOSFET的比较
7.2 金属氧化物薄膜晶体管
7.2.1 硅基薄膜晶体管
7.2.2 氧化物薄膜晶体管
7.2.3 α-IGZO半导体的导电机制
7.2.4 α-IGZO TFT研究现状
7.3 基于高κ栅介质的MOTFT
7.3.1 MOTFT中的绝缘栅介质
7.3.2 传统SiO2栅介质面临的困境
7.3.3 MOTFT中的高κ栅介质
7.4 高κ栅介质在MOTFT中的应用
7.4.1 基于氮化物高κ栅介质的MOTFT
7.4.2 基于金属氧化物高κ栅介质的MOTFT
7.4.3 基于钙钛矿高κ栅介质的MOTFT
7.4.4 基于聚合物、电解质及混合电介质等高κ栅介质的MOTFT
课后习题
参考文献
第8章 高κ栅介质与垂直有机场效应晶体管集成
8.1 引言
8.2 VOFET——肖特基势垒晶体管
8.3 器件结构
8.3.1 不

前言
　　在微电子技术领域，摩尔定律主导的主流器件
技术是以硅基为代表的微电子器件。在过去60多年的漫
长时期，全球范围的技术创新基本是围绕器件物理尺寸
的缩微化来进行的，其特征关键词为体材料、可缩微性
差、低能效、低异质集成能力等。然而，后摩尔时代的
核心器件基本是以新材料体系、新器件原理所驱动的新
一轮创新，特征关键词为新材料、极限可缩微性、高能
效、易于异质集成等。正是由于摩尔定律的终止以及新
兴材料的快速崛起，使得基于新器件技术的新一轮芯片
革命成为全球聚焦点。后摩尔器件将通过非传统物理尺
寸缩微的新技术路径，延续摩尔定律的精神，即性能/
算力提升、能耗降低以及成本降低，并将集成电路芯片
技术带向新的发展阶段。作为人类科技史上最成功的技
术创新历程之一，由摩尔定律引导的微电子芯片革命已
接近终止，而随之而来的后摩尔时代将由新材料、新器
件、新计算范式等创新力量所驱动，并将以全新的技术
路径来继续承载摩尔定律的精神。在新的时代，人们将
看到以新一代核心器件驱动的创新所带来的多材料异质
集成、多功能异构集成、存储计算融合、传输计算
融合、类脑计算等发展方向，为信息技术的升级换代提
供新动力。　　当前，信息化已成为当代人类社会生产
力发展的主要动力之一，是体现国际竞争力的重要因素
。信息技术和产业作为信息化建设的基础，其核心领域
主要包括以半导体、导体及介电材料为基础的集成电路
、存储器件和显示技术等。在我国，信息技术和产业也
已上升至国家战略高度。国务院政府工作报告指出，集
成电路是支撑国民经济和社会发展的战略性、基础性和
先导性产业，并把推动集成电路产业发展放在实体经济
发展的首位强调。2020年，国务院发文强调，集成电路
产业和软件产业是信息产业的核心，是引领新一轮科技
革命和产业变革的关键力量。栅介质材料是集成电路最
基本元器件——场效应晶体管的关键组成部分，开展栅
介质材料相关基础研究与器件集成工作，对我国信息技
术赶超世界先进水平、实现跨越式发展具有深远意义。
目前功能材料的研究热点主要包括三类： 逻辑器件材
料（包括栅介质材料、衬底材料、源漏和局域互联材料
）、存储器件材料、互联材料。其中，逻辑器件材料最
受广泛关注。随着工艺尺寸微缩，晶体管沟道长度越来
越小，工艺制造越复杂，成本也就越高。无论是逻辑器
件还是存储器工艺，在最有共性特征的栅介质材料发展
方面，都体现出一些共性要求和发展难点，具体表现在
： 　　①为保证器件性能，器件尺寸需按比例缩小，
栅氧化层厚度不断减薄； ②为了增强栅控能力，减小
了栅漏电流，工艺上采用了高κ栅介质材料。但实际上
，高κ材料在CMOS工艺中存在界面态问题，22nm以下的
工艺难以克服这一难题，需要寻找新的解决方式，主要
是采用新的器件结构。新的器件结构工艺，如FinFET工
艺，虽然能继续缩微器件尺寸，但工艺涨落问题更加突
出。总之，提高器件性能和成品率，确保工艺继续向前
推进，离不开新材料的发现与使用。因此栅介质材料的
高品质合成与器件集成已经成为当前材料科学与工程及
微电子集成电路领域的重要任务。它不仅是材料、物理
、化学、力学、电子信息等多学科、多领域的交叉与融
合，而且是基本原理与工程实践并重的一门课程。　　
目前国内大学某些专业课程设置相对落后，教材建设跟
不上学科发展速度。特别是面向高年级本科生和研究生
的栅介质材料制备及器件集成相关领域的教材严重匮乏
，已经不能适应现代材料与微电子集成交叉学科的发展
。本教材首先介绍了集成电路的发展趋势及后摩尔时代
的器件挑战，栅介质材料的基本概念及物理知识储备，
栅介质材料的基本制备技术及表征方法； 着重介绍了
栅介质材料在不同器件中的集成应用，如高κ与金属栅
、场效应晶体管器件、薄膜晶体管器件、存储器件及神
经形态器件等。本书包含栅介质材料的基本制备技术，
同时突出了栅介质材料在器件应用中的先进性和前沿性
，反映了后摩尔时代器件集成的最新研究进展，是理论
与实践应用的有机结合。本书主要面向高年级本科生、
研究生和研发人员，所以在内容上不追求面面俱到，而
是特色鲜明，强调与作者的研究领域和已有的研究工作
相结合。与国内外已经出版的材料合成与器件集成相关
的教材相比，本书更加注重栅介质材料在器件领域的最
新应用。本书既有基本原理的相关介绍，又突出了栅介
质材料的先进性和器件应用的前沿性，很多工作都是最
新研究成果的总结，是理论与实际应用的有机结合。　
　本书由何刚教授主编和统稿。第1章由安徽大学何刚
教授主持编写； 第2章由安徽大学姜珊珊副教授主持编
写； 第3章由安徽职业技术学院杨兵副教授主持编写；
第4章由有研稀土新材料股份有限公司李栓高级工程师
、徐明磊和董瑞锋两位助理工程师共同主持编写； 第5
章由潍坊学院韩锴教授和中国科学院微电子研究所王晓
磊研究员共同主持编写； 第6章由安徽理

基于目前微电子集成电路工艺的快速发展及面临的技术瓶颈，卡脖子技术亟待解决。国内集成电路及材料相关的人员出现很多断层，与国外的差距在不断增加。尤其在后摩尔器件时代，我们必须迎头赶上，在器件集成领域应缩小与国际同行的差距。国内的高校承担着培养未来微电子领域拔尖人才的重任，但在此领域，我们缺少系统的介绍高k栅介质与器件集成的教材，出版与编著该类教材迫在眉睫。该教材的出版，应该能弥补国内教材在该领域的空白，国内的985和211高校的本科生及研究生应该是该教材的大量使用户，还有相关的企业公司的工程师也需要该类的教材。

第3章〓高κ栅介质的制备及表征
3.1高κ栅介质材料的制备
随着半导体技术的快速发展，IC的集成度不断提高，使得所需要的器件尺寸也不断减小，这就对制备薄膜的工艺要求越来越严格。如何制备出致密且厚度均匀的栅介质薄膜成为人们探索的重点。截至目前，高κ栅介质材料制备方法可以分为干法和湿法两种，干法主要包括以真空蒸镀法、磁控溅射法、离子镀法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法等方法为代表的物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)技术和化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)技术,湿法制备包括
溶胶凝胶法、喷雾热解法、喷墨打印法及棒材涂布法、静电纺丝法等。物理气相沉积技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源(固体或液体)表面汽化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的高κ栅介质的技术，物理气相沉积是主要的表面处理技术之一。物理气相沉积主要方法有： 真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀膜、离子镀膜和分子束外延等。相应的真空镀膜设备包括真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。
物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐蚀、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。随着高科技及新兴工业的发展，物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点，如多弧离子镀与磁控溅射兼容技术、大型矩形长弧靶和溅射靶、非平衡磁控溅射靶、孪生靶技术、带状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术、条状纤维织物卷绕镀层技术等，使用的镀层成套设备向计算机全自动、大型化工业规模方向发展。
化学气相沉积技术是一种化工技术，主要是指利用含有高κ栅介质元素的一种或几种气相化合物或单质，在衬底表面
进行化学反应生成高κ栅介质。化学气相沉积技术在半导体工业中有着比较广泛的应用。在当代，微型电子学元器件中越来越多地使用新型非晶态材料，这种材料包括磷硅玻璃、硼硅玻璃、SiO2、Si3N4等。此外，也有一些在未来有可能发展成开关以及存储记忆材料，例如
CuOP2O5、
CuOV2O5P2O5
，以及
V2O5P2O5
等都可以使用化学气相沉积法进行生产。半导体行业硅片都需要进行RCA标准清洗。清洗的一般思路是首先去除硅片表面的有机沾污，因为有机物会遮盖部分硅片表面，从而使氧化膜和与之相关的沾污难以去除； 然后溶解氧化膜，因为氧化层是“沾污陷阱”，也会引入外延缺陷； 最后再去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化。RCA标准清洗法是1965年由Kern和Puotinen等在美国新泽西州普林斯顿(Princeton,New Jersey)的RCA实验室首创的，并由此而得名。RCA是一种典型的，至今仍为最普遍使用的湿式化学清洗法。
RCA清洗大多包括四步，即先用含硫酸的酸性过氧化氢进行酸性氧化清洗，再用含胺的弱碱性过氧化氢进行碱性氧化清洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，最后用含盐酸的酸性过氧化氢进行酸性氧化清洗。在每次清洗中间都要用超纯水（DI水）进行漂洗，最后用低沸点有机溶剂进行干燥。
RCA清洗技术具体工艺大致如下：
第一步，使用的试剂为SPM（Surfuric/Peroxide Mix），SPM 试剂又称为SC3试剂（Standard Clean3）。SC3 试剂是由 H2SO4H2O2H2O 组成（其中 H2SO4 与H2O2 的体积比为 1∶3）。用 SPM 清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。
第二步，使用的试剂为APM（Ammonia/Peroxide Mix），APM 试剂又称为SC1试剂（Standard Clean1）。SC1 试剂是由 NH4OHH2O2H2O 组成，三者的比例为1∶1∶5~1∶2∶7，清洗时的温度为 65~80℃。SC1试剂清洗的主要作用是碱性氧化，去除硅片上的颗粒，并可氧化及去除表面少量的有机物和Au、Ag、Cu、Ni、Cd、Zn、Ca、Cr 等金属原子污染； 温度控制在 80℃以下是为减少因氨和过氧化氢挥发造成的损失。
第三步，通常称为DHF工艺，是采用氢氟酸（HF）或稀氢氟酸（DHF）清洗，HF∶H2O的体积比为1∶（2~10），处理温度在 20~25℃。利用氢氟酸能够溶解二氧化硅的特性，把在上步清洗过程中生成的硅片表面氧化层去除，同时将吸附在氧化层上的微粒及金属去除。还有在去除氧化层的同时在硅晶圆表面形成硅氢键而使硅表面呈疏水性的作用。
第四步，使用的试剂为HPM（Hydrochloric/Peroxide Mix），HPM 试剂又称为SC2试剂。SC2试剂由HClH2O2H2O组成（三种物质的比例为1∶1∶6~1∶2∶8），清洗时的温度控制在65~80℃。它的主要作用是酸性氧化，能溶解多种不被氨络合的金属离子，以及不溶解于氨水但可溶解在盐酸中的Al(OH)3、Fe(OH)3、Mg(OH)2和Zn(OH)2等物质，所以对 Al3+、Fe3+、Mg