Термин диэлектрик с высоким κ относится к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью (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. Реализация затворных диэлектриков с высоким κ является одной из нескольких стратегий, разработанных для обеспечения дальнейшей миниатюризации микроэлектронных компонентов, в просторечии называемой расширением закона Мура . Иногда эти материалы называют «high-k» (произносится «high-kay») вместо «high-κ» (высокая каппа).
Потребность в материалах с высоким κ
Диоксид кремния ( SiO
2) десятилетиями использовался в качестве оксидного материала затвора . Поскольку полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) уменьшились в размерах, толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния неуклонно уменьшалась, что увеличивало емкость затвора (на единицу площади) и, таким образом, управляющий ток (на ширину устройства), повышая производительность устройства. Поскольку толщина составляет менее 2 нм , токи утечки из-за туннелирования резко возрастают, что приводит к высокому энергопотреблению и снижению надежности устройства. Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния материалом с высоким κ позволяет увеличить емкость затвора без связанных с этим эффектов утечки.
Первые принципы
Оксид затвора в MOSFET можно смоделировать как конденсатор с параллельными пластинами. Пренебрегая квантово-механическими эффектами и эффектами истощения Si- подложки и затвора, емкость C этого конденсатора с параллельными пластинами определяется выражением
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 ограничивает дальнейшее уменьшение t , альтернативным методом увеличения емкости затвора является изменение κ путем замены диоксида кремния материалом с высоким κ. В таком сценарии можно использовать более толстый оксидный слой затвора, который может уменьшить ток утечки, протекающий через структуру, а также повысить надежность диэлектрика затвора .
Влияние емкости затвора на ток привода
Ток стока I D для полевого МОП-транзистора можно записать (используя приближение постепенного канала) как
где
- W - ширина канала транзистора
- L - длина канала
- μ - подвижность несущей канала (здесь предполагается постоянной)
- C inv - плотность емкости, связанная с диэлектриком затвора, когда нижележащий канал находится в перевернутом состоянии.
- V G - напряжение, приложенное к затвору транзистора.
- V th - пороговое напряжение
Член V G - V th ограничен по диапазону из-за ограничений, связанных с надежностью и комнатной температурой, поскольку слишком большое V G могло бы создать нежелательное сильное электрическое поле на оксиде. Кроме того, V th не может быть легко уменьшено ниже примерно 200 мВ, потому что 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 неприемлемых уровней. (См. Отраслевую дорожную карту [1], которая ограничивает пороговое значение 200 мВ, и Рой и др. [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 нижележащего кремния, что обеспечивает однородный конформный оксид и высокое качество поверхности раздела. 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 выравнивание полосы по кремнию (которое может изменить ток утечки), морфологию пленки, термическую стабильность, поддержание высокой подвижности носителей заряда в канале и минимизацию электрических дефектов в пленке / границе раздела. Материалы , которые получили значительное внимание , являются гафний силиката , силикат циркония , диоксид гафния и диоксид циркония , как правило , осажденным с помощью осаждения атомных слоев .
Ожидается, что дефектные состояния в диэлектрике с высоким k могут влиять на его электрические свойства. Дефектные состояния могут быть измерено, например , с помощью нулевого смещения термостимулированного тока, нулевого градиент температуры при нулевом смещении термостимулированного тока спектроскопии , [3] [4] или неупругого электрон туннельной спектроскопии (IETS).
Использование в промышленности
В промышленности оксинитридные диэлектрики затвора используются с 1990-х годов, в которых диэлектрик из оксида кремния, сформированный традиционным способом, пропитан небольшим количеством азота. Содержание нитрида слегка увеличивает диэлектрическую проницаемость и, как считается, дает другие преимущества, такие как сопротивление диффузии легирующей примеси через диэлектрик затвора.
В 2000 году Гертеж Сингх Санду и Чынг Т. Доан из Micron Technology инициировал разработку атомного осаждения слоя высокой K пленок для DRAM запоминающих устройств. Это помогло стимулировать рентабельное внедрение полупроводниковой памяти , начиная с 90-нм узловой DRAM. [5] [6]
В начале 2007 года Intel объявила о развертывании диэлектриков high-k на основе гафния в сочетании с металлическим затвором для компонентов, построенных по 45-нанометровым технологиям, и поставила его в серии процессоров 2007 года под кодовым названием Penryn . [7] [8] В то же время IBM объявила о планах перехода на материалы с высоким содержанием k, также на основе гафния, для некоторых продуктов в 2008 году. силикаты гафния ( HfSiON ). HfO
2и HfSiO подвержены кристаллизации во время активационного отжига допанта. NEC Electronics также объявила об использовании диэлектрика HfSiON в своей 55-нм технологии UltimateLowPower . [9] Однако даже HfSiON чувствителен к токам утечки, связанным с ловушкой, которые имеют тенденцию увеличиваться с увеличением нагрузки в течение срока службы устройства. Этот эффект утечки становится более серьезным по мере увеличения концентрации гафния. Однако нет гарантии, что гафний станет де-факто основой для будущих high-k диэлектриков. Дорожная карта ITRS на 2006 год предсказывала, что к 2010 году внедрение материалов с высоким содержанием k станет обычным явлением в отрасли.
Смотрите также
- Низкокалорийный диэлектрик
- Кремний-германий
- Кремний на изоляторе
Рекомендации
- ^ «Интеграция процессов, устройства и структуры» (PDF) . Международная Технология Дорожная карта для полупроводников: 2006 Update . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2007 года.
- ^ Каушик Рой, Киат Сенг Йео (2004). Низковольтные маломощные подсистемы СБИС . McGraw-Hill Professional. Рис. 2.1, стр. 44. ISBN 978-0-07-143786-8.
- ^ Лау, WS; Чжун, Л .; Ли, Аллен; См. CH; Хан, Тэджун; Сандлер, Н. П.; Чонг, TC (1997). «Обнаружение дефектных состояний, ответственных за ток утечки в ультратонких пленках пятиокиси тантала (Ta [sub 2] O [sub 5]), с помощью спектроскопии термостимулированного тока с нулевым смещением» ». Письма по прикладной физике . 71 (4): 500. Bibcode : 1997ApPhL..71..500L . DOI : 10.1063 / 1.119590 .
- ^ Лау, WS; Вонг, KF; Хан, Тэджун; Сандлер, Натан П. (2006). «Применение термостимулированной токовой спектроскопии с нулевым градиентом температуры и нулевым смещением для определения характеристик пленки диэлектрика со сверхтонкой диэлектрической проницаемостью». Письма по прикладной физике . 88 (17): 172906. Bibcode : 2006ApPhL..88q2906L . DOI : 10.1063 / 1.2199590 .
- ^ «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроув» . Премия IEEE Эндрю С. Гроув . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 4 июля 2019 .
- ^ Сандху, Гуртей; Доан, Трунг Т. (22 августа 2001 г.). «Аппарат и метод легирования атомным слоем» . Патенты Google . Дата обращения 5 июля 2019 .
- ^ «Страница технологии кремния Intel 45nm High-k» . Intel.com . Проверено 8 ноября 2011 .
- ^ «Спектр IEEE: решение High-k» . Архивировано из оригинала на 2007-10-26 . Проверено 25 октября 2007 .
- ^ "Технология UltimateLowPower | Передовые технологические процессы | Технология | NEC Electronics" . Necel.com. Архивировано из оригинала на 2010-02-19 . Проверено 8 ноября 2011 .
дальнейшее чтение
- Обзорная статья Wilk et al. в журнале прикладной физики
- Houssa, M. (Ed.) (2003) Институт физики высоких диэлектриковISBN 0-7503-0906-7 CRC Press Online
- Huff, HR, Gilmer, DC (Ed.) (2005) Материалы с высокой диэлектрической постоянной: приложения VLSI MOSFET Springer ISBN 3-540-21081-4
- Демков А.А., Навроцкий А. (Ред.) (2005) Материалы Основы затворных диэлектриков Springer ISBN 1-4020-3077-0
- «Оксиды затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для кремниевых транзисторов на основе оксида металла» Робертсон, Дж. ( Rep. Prog. Phys. 69 327-396 2006) Публикация Института физики doi : 10.1088 / 0034-4885 / 69/2 / R02 Оксиды затвора с высокой диэлектрической проницаемостью ]
- Освещение в СМИ марта 2007 Intel / IBM анонсы BBC NEWS | Технологии | Чипы протолкнуть нано-барьер , штат Нью - Йорк Таймс Статья (1/27/07)
- Гусев, Е.П. (ред.) (2006) "Дефекты в диэлектрических стеках с высоким k затвором: наноэлектронные полупроводниковые устройства", Springer ISBN 1-4020-4366-X