那天晚上，我一直紧皱眉头，顺手将(t-1)时刻只剩下最后一根“南京”的空烟盒扔进纸篓里面，再一次吞云吐雾起来。摆在面前的是一篇关于Si热氧化动力学理论的手稿，她已经是两次被美国刊物的编辑无情地退了回来。实话说，我还很少有文章获得如此高的礼遇，无奈之下，只好自己将手稿判处无期徒刑。

 

这篇手稿针对Si单晶表面热氧化生成SiO₂的动力学提出了一个很不错的唯象普适模型，计算结果与众多实验吻合得很好，但是其创新性的确远不如那些发表在PRL上的文章。虽然Si的热氧化动力学是一个老得掉渣的问题，但是PRL上每年都有那么几篇文章关注这个问题，显示出其重要性。令人疑惑的是，当Si集成电路早早几十年走进了千家万户，这类实用化课题依然能够引起物理学家兴趣不断而远非兴意阑珊，确实是一件既费解又可气的名坛逸事。看起来，任何老的新的、大的小的物理问题都可以推陈出新，就如人生一般潮起潮落。正所谓：去年今日此门中，众里缤纷品不同；起早翻出陈旧事，依然几处作新从。

 

SiO₂热氧化显得如此重要在我看来有两重天：一重属自然的，因为自然界物质中Si氧化为SiO₂绝对算得上是奇妙的过程。您踏破铁鞋很难找到另外一种物质的氧化过程与后果堪比Si的氧化。在热氧化过程中Si与O反应形成非晶的SiO₂层覆于Si表面，这样形成的非晶SiO₂结构稳定结实、物理化学稳定性非一般般棒。更为可贵的是非晶层与Si层本身结合得非常好，亲密关系堪称世间第一伉俪、自然第一佳侣！第二重天属人类的，因为这对佳侣的自然属性，也因为Si质在地球上的丰富蕴藏，Si被人类选择为集成电路晶体管的基质材料，而SiO₂(下图中的Insulator)自然被指定为绝缘栅极层。这一组合已经主宰人类智慧与才华几十年，风无绝代，人无绝华，正道是：玉砌天成佳侣妆，相濡以沫冠东床；非因各自状元秀，竟是平凡人世香。

 

 

 

 

集成电路经过几十年的发展，潮起潮落，到“今天”又再一次经历着风流倜傥的故事。故事被今人美其名曰“高介电栅极介质(high-k dielectrics)”，其背后之推波助澜者乃Intel元老之一的戈登-摩尔先生。他心怀叵测编出了一条所谓摩尔定律：集成电路中晶体管密度每18个月翻一番。这一定律催生了半导体产业多少名人逸事，忽悠了金融债券界多少金砖玉蟾。

 

摩尔定律要求每个晶体管中SiO₂栅极电容层的尺寸(面积A)每一年半就要缩小一倍。为了保证栅极电容保持不变，就必须让栅极厚度d也减小一倍，因为一只电容器的电容量与面积A成正比，与厚度d成反比！目前的SiO₂栅极层被摩尔定律折磨得早已骨瘦如柴、衣不遮体，身躯只有1~3纳米厚了！这么薄的栅极层，即便是带隙再宽，量子力学那隧穿隐形人依然可以穿越自如，构成很大的栅极漏电流，使得晶体管工作时大量发热而无法继续发嗲、可靠性降低而无法继续温馨。

 

所谓“家有量子，不灭也死”这个古之梵语在摩尔定律处得到最好的阐释：从来世事平常事，可恼集成电路痴；摩尔随心说梦话，一年半载报新知。

 

那么怎么办呢？我们先来看看电容量C的物理公式：

 

C=k×A / d

 

这里k为栅极介电常数。众所周知，SiO₂的k=3.9，如果咱们用另外一种k很大的介质替换掉SiO₂，比如用k=24的简单氧化物或氮化物替代，则在保持C相同的前提下我们可以将栅极层厚度d增加6倍。这可是了不起的想法，因为量子力学隐形穿透能力是栅极层厚度的指数衰减函数，d增加6倍，量子隐形人就必须四处碰壁了。

 

这就是“高介电栅极介质研究”这门学问的来历。初看起来，问题清楚，物理简单，故事乏味，数学也儿科。

 

可是，慢着！这个世上那些自愈高明的人类精英们围绕这些简单与清楚乏味地做了若干年，在大学做、研究所做、大公司做，尝试了千百种氧化物/氮化物材料，最后总结出来的选择标准和影响因素可以装满一箩筐：

 

l        高的介电常数e (低的等效氧化物厚度EOT)；

l        具有大的禁带宽度E_g(>5eV)；

l        具有与Si接触的良好的热稳定性；

l        high-k/Si界面具有低的本征界面态密度；

l        薄膜形态最好为单晶或非晶玻璃态(T_s>800°C)；

l        电学性质具有较高的可靠性和稳定性；

l        材料的制备过程以及使用的栅电极应该能与CMOS工艺流程兼容。

 

要满足这些高贵要求的新栅极材料可不易，使得精英们在过去十年大海捞针一般，比我面对手稿愁不成眠要难受得多。十年沧海回头看，起舞闻鸡凭浪倦；潮起一时潮落迟，足迹尽处白花泛。到现在为止，工业界依然离不开SiO₂/Si这对黄金佳侣。事实上，作为晶体管半导体材料，Si并非是最好的，人类很早就合成制备出性能比Si优越的体系。Si之所以能够屹立不倒，其佳侣SiO₂至关重要。当Si胁美玉以令诸侯时，满眼尽是硅天下就不足为怪了。

 

对于这宝贝SiO₂，曾经有位一级“表演艺术家”说过这样一段经典台词：

 

“这个非晶SiO₂对其它绝缘层就象Si对其它半导体一样，那是个没法说的宝贝。而Si之所以能够成为没有亚军的冠军小姐，就是因为后面有这个SiO₂作男朋友。否则，GaAs早就是冠军小姐了。也就是说，目前没有第二种绝缘材料能够代替非晶SiO₂，主要是介电、漏电、稳定性等等问题配合得天衣无缝。所以我们现在大搞high-k dielectrics，看看吧。搞出了比SiO₂更漂亮的没有？没有！唉。(反转一下世事空间关系) 问题是SiO₂总是要老的，人老珠黄啊。在她减肥到1~2个纳米薄时，量子力学说：我看透你了！”

 

时光和人生是我笔下并行的两条线，当它们发生交叉时，量子力学就说不准了！

 

是以为我那篇锁在抽屉里服役无期徒刑的手稿作一个注解，阿门。

 

 

 

 

 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自刘俊明科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-915-230670.html

上一篇：物理人生(80)--蓦然回首
下一篇：物理人生(82)--淡的臆想