High-κ dielektrikum - High-κ dielectric

Termín dielektrikum s vysokým κ označuje materiál s vysokou dielektrická konstanta (κ, kappa ), ve srovnání s oxid křemičitý. High-κ dielektrika se používají v výroba polovodičů procesy, kde se obvykle používají k nahrazení oxidu křemičitého brána dielektrikum nebo jiná dielektrická vrstva zařízení. Implementace dielektrika s vysokým κ hradlem je jednou z několika strategií vyvinutých k umožnění další miniaturizace mikroelektronických komponent, hovorově označovaných jako rozšiřující Mooreův zákon.Někdy se tyto materiály nazývají „high-k“ (mluvený high kay), místo „high-κ“ (high kappa).

Potřeba materiálů s vysokým κ

Oxid křemičitý (SiO2) byl použit jako a oxid brány materiál po celá desetiletí. Tak jako tranzistory s efektem pole-oxid-polovodičové pole (MOSFET) se zmenšily, tloušťka dielektrika hradla oxidu křemičitého se neustále zmenšovala, aby se zvýšila kapacita hradla, a tím poháněl proud, čímž se zvýšil výkon zařízení. Jak se tloušťka zmenšuje pod 2 nm, svodové proudy v důsledku tunelování drasticky zvýšit, což vede k vysoké spotřebě energie a snížení spolehlivosti zařízení. Nahrazení dielektrika hradla oxidu křemičitého materiálem s vysokým κ umožňuje zvýšenou kapacitu hradla bez souvisejících únikových efektů.

První principy

Oxid brány v a MOSFET lze modelovat jako paralelní deskový kondenzátor. Ignorování kvantově mechanických a vyčerpávajících účinků z Si substrát a brána, kapacita C této paralelní desky kondenzátor darováno

Konvenční dielektrická struktura hradla oxidu křemičitého ve srovnání s potenciální dielektrickou strukturou s vysokým k, kde κ = 16
Průřez n-kanálu MOSFET tranzistor ukazující dielektrický oxid brány

Kde

Vzhledem k tomu, že omezení úniků omezuje další snížení t, alternativní metodou ke zvýšení kapacity hradla je změna κ nahrazením oxidu křemičitého materiálem s vysokým κ. V takovém scénáři může být použita silnější vrstva oxidu hradla, která může snížit svodový proud protékající strukturou a zlepšující dielektrikum brány spolehlivost.

Vliv kapacity brány na proud pohonu

Vypouštěcí proud JáD pro MOSFET lze psát (pomocí postupné aproximace kanálu) jako

Kde

  • Ž je šířka kanálu tranzistoru
  • L je délka kanálu
  • μ je mobilita nosiče kanálu (zde se předpokládá konstanta)
  • Cinv je hustota kapacity spojená s hradlovým dielektrikem, když je podkladový kanál v obráceném stavu
  • PROTIG je napětí přivedené na bránu tranzistoru
  • PROTIth je hraniční napětí

Termín PROTIG - Vth má omezený rozsah kvůli spolehlivosti a provozním omezením teploty místnosti, protože je příliš velký PROTIG by vytvořilo nežádoucí vysoké elektrické pole přes oxid. Dále PROTIth nelze snadno snížit pod asi 200 mV, protože svodové proudy v důsledku zvýšeného úniku oxidu (tj. za předpokladu, že nejsou k dispozici dielektrika s vysokým κ) a podprahové vedení zvýšit pohotovostní spotřebu energie na nepřijatelné úrovně. (Viz průmyslový plán,[1] který omezuje hranici na 200 mV, a Roy et al. [2]). Podle tohoto zjednodušeného seznamu faktorů tedy došlo ke zvýšení JáD, sat vyžaduje zmenšení délky kanálu nebo zvýšení dielektrické kapacity hradla.

Materiály a úvahy

Nahrazení dielektrika hradla oxidu křemičitého jiným materiálem zvyšuje výrobní proces složitosti. Oxid křemičitý může být tvořen oxidující podkladový křemík, zajišťující jednotný, konformní oxid a vysokou kvalitu rozhraní. V důsledku toho se vývojové úsilí zaměřilo na nalezení materiálu s požadovanou vysokou dielektrickou konstantou, který lze snadno integrovat do výrobního procesu. Mezi další klíčové úvahy patří kapela zarovnání na křemík (což může změnit svodový proud), morfologie filmu, tepelná stabilita, udržování vysokého mobilita nosičů náboje v kanálu a minimalizace elektrických defektů ve filmu / rozhraní. Materiály, kterým byla věnována značná pozornost, jsou křemičitan hafnia, křemičitan zirkoničitý, hafnium dioxid a oxid zirkoničitý, obvykle uloženy pomocí ukládání atomové vrstvy.

Očekává se, že poruchové stavy v dielektriku s vysokým k mohou ovlivnit jeho elektrické vlastnosti. Poruchové stavy lze měřit například pomocí tepelně stimulovaného proudu s nulovým předpětím, tepelně stimulovaného nulového předpětí s nulovým předpětím aktuální spektroskopie,[3][4] nebo nepružná elektronová tunelová spektroskopie (IETS).

Použití v průmyslu

Toto odvětví zaměstnalo oxynitrid hradlová dielektrika od 90. let, kdy do konvenčně vytvořeného dielektrika z oxidu křemičitého je přiváděno malé množství dusíku. Obsah nitridu nepatrně zvyšuje dielektrickou konstantu a předpokládá se, že nabízí další výhody, jako je odolnost proti difuzi dopantu přes hradlové dielektrikum.

V roce 2000 Gurtej Singh Sandhu a Trung T. Doan z Technologie Micron zahájil vývoj ukládání atomové vrstvy high-k filmy pro DOUŠEK paměťová zařízení. To pomohlo řídit nákladově efektivní implementaci polovodičová paměť, začínání s 90 nm uzel DOUŠEK.[5][6]

Počátkem roku 2007 Intel oznámila nasazení hafnium -vysoká dielektrika na bázi high-k ve spojení s kovovou bránou pro zabudované komponenty 45 nanometrů technologií a dodal jej v kódové řadě procesorů 2007 Penryn.[7][8] Ve stejnou dobu, IBM oznámila plány přechodu na vysoce kvalitní materiály, také na bázi hafnia, pro některé výrobky v roce 2008. Nejsou-li identifikovány, nejpravděpodobnějším dielektrikem používaným v těchto aplikacích je nějaká forma nitridovaných hafniových silikátů (HfSiON). HfO2 a HfSiO jsou náchylné ke krystalizaci během žíhání aktivace dopantu. NEC Electronics také oznámila použití HfSiON dielektrika v jejich 55 nm UltimateLowPower technologie.[9] Avšak i HfSiON je citlivý na svodové proudy související s lapačem, které mají tendenci se zvyšovat se zátěží po celou dobu životnosti zařízení. Tento efekt úniku se zhoršuje s rostoucí koncentrací hafnia. Neexistuje však žádná záruka, že hafnium bude sloužit jako de facto základ pro budoucí vysoce kvalitní dielektrika. V roce 2006 ITRS cestovní mapa předpovídala, že implementace vysoce kvalitních materiálů bude do roku 2010 v tomto odvětví samozřejmostí.

Viz také

Reference

  1. ^ „Integrace procesů, zařízení a struktury“ (PDF). Mezinárodní technologický plán pro polovodiče: aktualizace z roku 2006. Archivovány od originál (PDF) dne 2007-09-27.
  2. ^ Kaushik Roy, Kiat Seng Yeo (2004). Subsystémy VLSI pro nízké napětí a nízkou spotřebu. McGraw-Hill Professional. Obr. 2.1, str. 44. ISBN  978-0-07-143786-8.
  3. ^ Lau, W. S .; Zhong, L .; Lee, Allen; Viz C. H .; Han, Taejoon; Sandler, N. P .; Chong, T. C. (1997). „Detekce poruchových stavů odpovědných za svodový proud ve filmech s ultratenkým oxidem tantalitým (Ta [sub 2] O [sub 5]) tepelně stimulovanou proudovou spektroskopií s nulovým předpětím“. Aplikovaná fyzikální písmena. 71 (4): 500. Bibcode:1997ApPhL..71..500L. doi:10.1063/1.119590.
  4. ^ Lau, W. S .; Wong, K. F .; Han, Taejoon; Sandler, Nathan P. (2006). „Aplikace teplotně stimulované proudové spektroskopie s nulovým předpětím s nulovým předpětím na charakterizaci ultratenkého filmu s vysokou dielektrickou konstantou izolačního filmu“. Aplikovaná fyzikální písmena. 88 (17): 172906. Bibcode:2006ApPhL..88q2906L. doi:10.1063/1.2199590.
  5. ^ „Příjemci ceny IEEE Andrew S. Grove Award“. Cena IEEE Andrew S. Grove. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Citováno 4. července 2019.
  6. ^ Sandhu, Gurtej; Doan, Trung T. (22. srpna 2001). "Dopingový aparát a metoda atomové vrstvy". Patenty Google. Citováno 5. července 2019.
  7. ^ „Stránka 45nm technologie Intel High-k Silicon Technology“. Intel.com. Citováno 2011-11-08.
  8. ^ „IEEE Spectrum: The High-k Solution“. Archivovány od originál dne 2007-10-26. Citováno 2007-10-25.
  9. ^ "Technologie UltimateLowPower | Pokročilá procesní technologie | Technologie | NEC Electronics". Necel.com. Archivovány od originál dne 19. 2. 2010. Citováno 2011-11-08.

Další čtení