Диэлектрик с высоким κ

В полупроводниковой промышленности термин «диэлектрик с высоким κ» относится к материалу с высокой диэлектрической постоянной (κ, каппа ) по сравнению с диоксидом кремния . Диэлектрики с высоким κ используются в процессах производства полупроводников , где они обычно используются для замены диэлектрика затвора из диоксида кремния или другого диэлектрического слоя устройства. Внедрение диэлектриков затвора с высоким κ является одной из нескольких стратегий, разработанных для обеспечения дальнейшей миниатюризации микроэлектронных компонентов, что в просторечии называется расширением закона Мура .

Иногда эти материалы называют «хай-к» (произносится «хай-кей»), а не «хай-к» (высокая каппа).

Потребность в материалах с высоким κ

Диоксид кремния ( SiO ₂ ) использовался в качестве материала затворного оксида на протяжении десятилетий. Поскольку полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) уменьшились в размерах, толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния постоянно уменьшалась, чтобы увеличить емкость затвора (на единицу площади) и тем самым управлять током (на ширину устройства), увеличивая производительность устройства. Когда толщина становится меньше 2 нм , токи утечки из-за туннелирования резко возрастают, что приводит к высокому энергопотреблению и снижению надежности устройства. Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния на материал с высоким κ позволяет увеличить толщину затвора, тем самым уменьшая емкость затвора без связанных с этим эффектов утечки.

Первые принципы

Обычная диэлектрическая структура затвора из диоксида кремния по сравнению с потенциальной диэлектрической структурой с высоким κ, где κ = 16

Оксид затвора в МОП-транзисторе можно смоделировать как конденсатор с параллельными пластинами. Если не учитывать квантово-механические эффекты и эффекты истощения кремниевой подложки и затвора, емкость $C$ этого конденсатора с параллельными пластинами определяется выражением

C={\frac {\kappa \varepsilon _{0}A}{t}}

где

$A$ — площадь конденсатора
$κ$ — относительная диэлектрическая проницаемость материала (3,9 для диоксида кремния )
$ε 0$ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства
$t$ - толщина оксидного изолятора конденсатора

Поскольку ограничение утечки сдерживает дальнейшее снижение $t$ , альтернативным методом увеличения емкости затвора является изменение κ путем замены диоксида кремния материалом с высоким κ. В таком случае можно использовать более толстый оксидный слой затвора, который может уменьшить ток утечки, протекающий через структуру, а также повысить диэлектрическую надежность затвора .

Влияние емкости затвора на ток возбуждения

Ток стока $I D$ для МОП-транзистора можно записать (используя приближение постепенного канала) как

I_{D,{\text{Sat}}}={\frac {W}{L}}\mu \,C_{\text{inv}}{\frac {(V_{G}-V_{\text{th}})^{2}}{2}}

где

$W$ - ширина канала транзистора
$L$ — длина канала
$μ$ — подвижность несущей в канале (здесь предполагается постоянной)
$C inv$ — плотность емкости, связанная с диэлектриком затвора, когда основной канал находится в инвертированном состоянии.
$V G$ — напряжение, приложенное к затвору транзистора.
$Vth -$ пороговое напряжение

Диапазон значений $V G - V th$ ограничен из-за ограничений надежности и эксплуатации при комнатной температуре, поскольку слишком большое значение $V G$ создаст нежелательное сильное электрическое поле на оксиде. Кроме того, $V th$ нелегко снизить ниже примерно 200 мВ, поскольку токи утечки из-за повышенной утечки оксидов (то есть при условии отсутствия диэлектриков с высоким κ) и подпороговой проводимости повышают энергопотребление в режиме ожидания до неприемлемого уровня. (См. дорожную карту отрасли, ^[1] что ограничивает порог до 200 мВ, а Roy et al. ^[2]). Таким образом, согласно этому упрощенному списку факторов, увеличение $I D,sat$ требует уменьшения длины канала или увеличения диэлектрической емкости затвора.

Материалы и соображения

Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния другим материалом усложняет производственный процесс. Диоксид кремния может быть образован путем окисления основного кремния, обеспечивая однородный конформный оксид и высокое качество интерфейса. Как следствие, усилия по разработке были сосредоточены на поиске материала с необходимой высокой диэлектрической проницаемостью, который можно было бы легко интегрировать в производственный процесс. Другие ключевые соображения включают зон выравнивание по отношению к кремнию (что может изменить ток утечки), морфологию пленки, термическую стабильность, поддержание высокой подвижности носителей заряда в канале и минимизацию электрических дефектов в пленке/интерфейсе. Материалами, которым было уделено значительное внимание, являются силикат гафния , силикат циркония , диоксид гафния и диоксид циркония , обычно наносимые с использованием атомно-слоевого осаждения .

Ожидается, что дефектные состояния в диэлектрике с высоким κ могут влиять на его электрические свойства. с нулевым температурным градиентом и нулевым смещением Состояния дефектов можно измерить, например, с помощью термостимулированной токовой спектроскопии с нулевым смещением, термостимулированной токовой спектроскопии . ^[3]^[4] или неупругая электронно-туннельная спектроскопия (IETS).

Использование в промышленности

Промышленность использует оксинитридные диэлектрики затвора с 1990-х годов, в которых диэлектрик из оксида кремния, изготовленный традиционным способом, пропитан небольшим количеством азота. Содержание нитридов незначительно повышает диэлектрическую проницаемость и, как полагают, дает другие преимущества, такие как сопротивление диффузии легирующей примеси через диэлектрик затвора.

В 2000 году Гуртей Сингх Сандху и Трунг Т. Доан из Micron Technology инициировали разработку методом атомно-слоевого осаждения с высоким κ пленок для DRAM устройств памяти . Это помогло обеспечить экономически эффективное внедрение полупроводниковой памяти , начиная с 90-нм узла DRAM. ^[5]^[6]

В начале 2007 года Intel объявила о применении диэлектриков с высоким κ на основе гафния в сочетании с металлическим затвором для компонентов, созданных по 45-нанометровой технологии, и поставила их в серию процессоров 2007 года под кодовым названием Penryn . ^[7]^[8] В то же время IBM объявила о планах перехода на материалы с высоким κ, также на основе гафния, для некоторых продуктов в 2008 году. Хотя это и не установлено, наиболее вероятным диэлектриком, используемым в таких приложениях, являются некоторые формы азотированных силикатов гафния ( HfSiON ). HfO ₂ и HfSiO подвержен кристаллизации во время активационного отжига с примесью. NEC Electronics также объявила об использовании Диэлектрик HfSiON по UltimateLowPower 55 нм. технологии ^[9] Однако даже HfSiON чувствителен к токам утечки, связанным с ловушками, которые имеют тенденцию увеличиваться при нагрузке в течение срока службы устройства. Этот эффект утечки становится более серьезным по мере увеличения концентрации гафния. Однако нет никакой гарантии, что гафний станет фактической основой для будущих диэлектриков с высоким κ. 2006 года Дорожная карта ITRS предсказывала, что к 2010 году внедрение материалов с высоким κ станет обычным явлением в отрасли.

См. также

Ссылки

^ «Интеграция процессов, устройства и структуры» (PDF) . Международная технологическая дорожная карта для полупроводников: обновление 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г.
^ Кошик Рой, Киат Сен Йео (2004). Низковольтные и маломощные подсистемы СБИС . МакГроу-Хилл Профессионал. Рис. 2.1, с. 44. ИСБН 978-0-07-143786-8 .
^ Лау, штат Вашингтон; Чжун, Л.; Ли, Аллен; Видите ли, Ч.С.; Хан, Тэджун; Сэндлер, Северная Каролина; Чонг, TC (1997). «Обнаружение дефектных состояний, ответственных за ток утечки в ультратонких пленках пятиокиси тантала (Ta[sub 2]O[sub 5]) методом термостимулированной токовой спектроскопии с нулевым смещением». Письма по прикладной физике . 71 (4): 500. Бибкод : 1997ApPhL..71..500L . дои : 10.1063/1.119590 .
^ Лау, штат Вашингтон; Вонг, К.Ф.; Хан, Тэджун; Сэндлер, Натан П. (2006). «Применение спектроскопии термостимулированного тока с нулевым температурным градиентом и нулевым смещением для определения характеристик ультратонких изоляционных пленок с высокой диэлектрической проницаемостью». Письма по прикладной физике . 88 (17): 172906. Бибкод : 2006ApPhL..88q2906L . дои : 10.1063/1.2199590 .
^ «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроува» . Премия IEEE Эндрю С. Гроува . Институт инженеров электротехники и электроники . Проверено 4 июля 2019 г. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Сандху, Гуртей; Доан, Трунг Т. (22 августа 2001 г.). «Аппарат и метод легирования атомного слоя» . Гугл Патенты . Проверено 5 июля 2019 г.
^ «Страница 45-нм кремниевой технологии Intel High-k» . Intel.com . Проверено 8 ноября 2011 г.
^ «IEEE Spectrum: решение High-k» . Архивировано из оригинала 26 октября 2007 г. Проверено 25 октября 2007 г.
^ «Технология UltimateLowPower|Передовые технологические процессы|Технологии|NEC Electronics» . Necel.com. Архивировано из оригинала 19 февраля 2010 г. Проверено 8 ноября 2011 г.

Дальнейшее чтение

Обзорная статья Wilk et al. в журнале прикладной физики
Хусса, М. (ред.) (2003) диэлектриков High-k Институт физики ISBN 0-7503-0906-7 CRC Press Online
Хафф, Х.Р., Гилмер, Д.К. (ред.) (2005) Материалы с высокой диэлектрической постоянной: применение МОП-транзисторов СБИС Springer ISBN 3-540-21081-4
Демков А.А., Навроцкий А. (ред.) (2005) Основы материалов затворных диэлектриков Springer ISBN 1-4020-3077-0
«Окислы затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для металлооксидных кремниевых транзисторов» Робертсон, Дж. ( Rep. Prog. Phys. 69 327-396, 2006 г.) Издательство Института физики doi : 10.1088/0034-4885/69/2/R02 Затворные оксиды с высокой диэлектрической проницаемостью]
СМИ мартовского 2007 года заявления Intel IBM Освещение в и
Гусев, Е.П. (ред.) (2006) «Дефекты в диэлектрических стопках затвора High-k: наноэлектронные полупроводниковые устройства», Springer ISBN 1-4020-4366-X

[1] «Интеграция процессов, устройства и структуры» (PDF) . Международная технологическая дорожная карта для полупроводников: обновление 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г.

[Roy-2] Кошик Рой, Киат Сен Йео (2004). Низковольтные и маломощные подсистемы СБИС . МакГроу-Хилл Профессионал. Рис. 2.1, с. 44. ИСБН 978-0-07-143786-8 .

[3] Лау, штат Вашингтон; Чжун, Л.; Ли, Аллен; Видите ли, Ч.С.; Хан, Тэджун; Сэндлер, Северная Каролина; Чонг, TC (1997). «Обнаружение дефектных состояний, ответственных за ток утечки в ультратонких пленках пятиокиси тантала (Ta[sub 2]O[sub 5]) методом термостимулированной токовой спектроскопии с нулевым смещением». Письма по прикладной физике . 71 (4): 500. Бибкод : 1997ApPhL..71..500L . дои : 10.1063/1.119590 .

[4] Лау, штат Вашингтон; Вонг, К.Ф.; Хан, Тэджун; Сэндлер, Натан П. (2006). «Применение спектроскопии термостимулированного тока с нулевым температурным градиентом и нулевым смещением для определения характеристик ультратонких изоляционных пленок с высокой диэлектрической проницаемостью». Письма по прикладной физике . 88 (17): 172906. Бибкод : 2006ApPhL..88q2906L . дои : 10.1063/1.2199590 .

[ieee-5] «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроува» . Премия IEEE Эндрю С. Гроува . Институт инженеров электротехники и электроники . Проверено 4 июля 2019 г. ^{[ мертвая ссылка ]}

[6] Сандху, Гуртей; Доан, Трунг Т. (22 августа 2001 г.). «Аппарат и метод легирования атомного слоя» . Гугл Патенты . Проверено 5 июля 2019 г.

[7] «Страница 45-нм кремниевой технологии Intel High-k» . Intel.com . Проверено 8 ноября 2011 г.

[8] «IEEE Spectrum: решение High-k» . Архивировано из оригинала 26 октября 2007 г. Проверено 25 октября 2007 г.

[9] «Технология UltimateLowPower|Передовые технологические процессы|Технологии|NEC Electronics» . Necel.com. Архивировано из оригинала 19 февраля 2010 г. Проверено 8 ноября 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]