Жоғары диэлектрлік тұрақтысы бар материалдар (Жоғары κ диэлектриктері)
High-κ dielectric
Жартылайөткізгіштерде жоғары диэлектрлік тұрақтысы (high-κ) бар материалдар SiO2-нің орнына қолданылады. Бұл микроэлектрониканы кішірейтуге көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кремний диоксидіне қарағанда жоғары диэлектрлік өтімділігі бар материал. Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде "жоғары κ диэлектригі" термині кремний диоксидімен салыстырғанда жоғары диэлектрлік тұрақтылығы (κ, каппа) бар материалды білдіреді. Жоғары κ диэлектриктері жартылай өткізгіштік құрылымдарды өндіру процестерінде қолданылады, әдетте кремний диоксиді қақпалық диэлектригін немесе құрылғының басқа диэлектрлік қабатын алмастыру үшін. Жоғары κ қақпалық диэлектриктерін енгізу – микроэлектрондық компоненттерді одан әрі кішірейтуге бағытталған стратегиялардың бірі, бұл көбінесе Мур заңының жалғасуы деп аталады. Кейде бұл материалдарды "high kay" деп, "high kappa" орнына айтады.
Material with a high permittivity relative to silicon dioxide
In the semiconductor industry, the term high κ dielectric refers to a material with a high dielectric constant (κ, kappa), as compared to silicon dioxide. High κ dielectrics are used in semiconductor manufacturing processes where they are usually used to replace a silicon dioxide gate dielectric or another dielectric layer of a device. The implementation of high κ gate dielectrics is one of several strategies developed to allow further miniaturization of microelectronic components, colloquially referred to as extending Moore's Law. Sometimes these materials are called "high k" (pronounced "high kay"), instead of "high κ" (high kappa).
К-і жоғары материалдарға қажеттілік
Кремний диоксиді (SiO2) ондаған жылдар бойы қақпа оксиді ретінде қолданылып келеді. Металл-оксид-жартылай өткізгіш өрістік эффектті транзисторлардың (MOSFET) өлшемдері кішірейген сайын, кремний диоксиді қақпа диэлектригінің қалыңдығы қақпа сыйымдылығын (бірлік ауданға) арттыру және осы арқылы токты (бір құрылғы еніне) күшейту үшін үздіксіз азайды, бұл құрылғының өнімділігін жақсартады. Қалыңдығы 2 нм-ден төмен түскенде, туннельдік эффектіге байланысты ағымдар күрт өседі, бұл жоғары қуат тұтынуға және құрылғының сенімділігінің төмендеуіне әкеледі. Кремний диоксиді қақпа диэлектригін жоғары κ материалымен алмастыру қақпа қалыңдығын арттыруға мүмкіндік береді, соның салдарынан қақпа сыйымдылығын азайтады, бірақ осыған байланысты қосымша ағымдар болмайды.
Silicon dioxide (|SiO2) has been used as a gate oxide material for decades. As metal–oxide–semiconductor field effect transistors (MOSFETs) have decreased in size, the thickness of the silicon dioxide gate dielectric has steadily decreased to increase the gate capacitance (per unit area) and thereby drive current (per device width), raising device performance. As the thickness scales below 2 nm, leakage currents due to tunneling increase drastically, leading to high power consumption and reduced device reliability. Replacing the silicon dioxide gate dielectric with a high κ material allows increased gate thickness thus decreasing gate capacitance without the associated leakage effects.
Материалдар мен ескертулер
Кремний диоксидінен жасалған қақпалық диэлектрді басқа материалға алмастыру өндіріс процесін қиындатады. Кремний диоксидін төмендегі кремнийді тотықтыру арқылы жасауға болады, бұл біркелкі, конформды оксид пен жоғары сапалы интерфейсті қамтамасыз етеді. Осының салдарынан, зерттеу және әзірлеме жұмыстары өндіріс процесіне оңай енгізілетін, қажетті деңгейде жоғары диэлектрлік тұрақтылығы бар материалды табуға бағытталған. Басқа маңызды мәселелер: кремнийге энергия деңгейлерінің сәйкестігі (бұл ағымның өзгеруіне әкелуі мүмкін), пленканың морфологиясы, жылулық тұрақтылығы, арнадағы заряд тасымалдаушылардың жоғары жылдамдығын сақтау және пленка/интерфейстегі электрлік ақауларды азайту. Гафний силикаты, цирконий силикаты, гафний диоксиді және цирконий диоксиді материалдарына ерекше назар аударылып келеді, олар әдетте атомдық қабатпен жабылатын тәсілмен жатқызылады. Жоғары диэлектрлік тұрақтылығы бар материалдағы ақаулық күйлері оның электрлік қасиеттеріне әсер етеді деп күтілуде. Ақаулық күйлерін, мысалы, нөлдік кернеумен термиялық стимуляцияланған ток, нөлдік температура градиентімен нөлдік кернеумен термиялық стимуляцияланған ток спектроскопиясы немесе инеластикалық электрондық туннельдеу спектроскопиясы (IETS) арқылы өлшеуге болады.
Replacing the silicon dioxide gate dielectric with another material adds complexity to the manufacturing process. Silicon dioxide can be formed by oxidizing the underlying silicon, ensuring a uniform, conformal oxide and high interface quality. As a consequence, development efforts have focused on finding a material with a requisitely high dielectric constant that can be easily integrated into a manufacturing process. Other key considerations include band alignment to silicon (which may alter leakage current), film morphology, thermal stability, maintenance of a high mobility of charge carriers in the channel and minimization of electrical defects in the film/interface. Materials which have received considerable attention are hafnium silicate, zirconium silicate, hafnium dioxide and zirconium dioxide, typically deposited using atomic layer deposition. It is expected that defect states in the high κ dielectric can influence its electrical properties. Defect states can be measured for example by using zero bias thermally stimulated current, zero temperature gradient zero bias thermally stimulated current spectroscopy, or inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS).
Өнеркәсіпте пайдалану
Өнеркәсіп 1990 жылдардан бері оксинитрид қақпа диэлектриктерін пайдаланып келеді, онда дәстүрлі түрде жасалған кремний оксиді диэлектригіне аз мөлшерде азот қосылады. Нитрид мөлшері диэлектрлік тұрақтыны сәл көтереді және қақпа диэлектригі арқылы қоспалардың таралуына қарсы тұру сияқты басқа да артықшылықтар ұсынады деп есептеледі. 2000 жылы Micron Technology компаниясының Гуртедж Сингх Санду және Трунг Т. Доан DRAM жад құрылғылары үшін атомдық қабатпен жабын жасау арқылы жоғары κ пленкаларын жасауды бастады. Бұл 90 нм түйінді DRAM-нан басталатын жартылай өткізгіш жадты тиімді жүзеге асыруға көмектесті. 2007 жылдың басында Intel компаниясы 45 нанометрлік технологияларға негізделген компоненттер үшін металдық қақпамен бірге гафнийге негізделген жоғары κ диэлектриктерін енгізгенін хабарлады және оны 2007 жылғы Penryn кодовый аты бар процессорлар сериясында шығарды. Сонымен қатар, IBM 2008 жылы кейбір өнімдер үшін, сондай-ақ гафнийге негізделген, жоғары κ материалдарына көшу жоспарларын жариялады. Нақты анықталмағанмен, мұндай қолданыстарда қолданылатын диэлектриктердің ең ықтимал түрі – нитридтелген гафний силикаттарының (|HfSiON|) бірі болып табылады. |HfO2 және |HfSiO қоспаларды белсендіру кезінде кристалдануға бейім. NEC Electronics компаниясы өздерінің 55 нм UltimateLowPower технологиясында |HfSiON диэлектригін қолданатынын да хабарлады. Дегенмен, |HfSiON-да тұрақсыздықтан туындаған шығындар ағынына ұшырау мүмкіндігі бар, ол құрылғының қызмет ету мерзімі ішінде күшейе түседі. Бұл шығын әсері гафний концентрациясы жоғарылаған сайын күшейеді. Алайда, гафний болашақта жоғары κ диэлектриктерінің негізгі материалы болатынына кепілдік жоқ. 2006 жылғы ITRS жол картасында 2010 жылға қарай өнеркәсіпте жоғары κ материалдарын қолдану кең таралған болады деп болжанды.
Industry has employed oxynitride gate dielectrics since the 1990s, wherein a conventionally formed silicon oxide dielectric is infused with a small amount of nitrogen. The nitride content subtly raises the dielectric constant and is thought to offer other advantages, such as resistance against dopant diffusion through the gate dielectric. In 2000, Gurtej Singh Sandhu and Trung T. Doan of Micron Technology initiated the development of atomic layer deposition high κ films for DRAM memory devices. This helped drive cost effective implementation of semiconductor memory, starting with 90 nm node DRAM. In early 2007, Intel announced the deployment of hafnium based high κ dielectrics in conjunction with a metallic gate for components built on 45 nanometer technologies, and has shipped it in the 2007 processor series codenamed Penryn. At the same time, IBM announced plans to transition to high κ materials, also hafnium based, for some products in 2008. While not identified, the most likely dielectric used in such applications are some form of nitrided hafnium silicates (|HfSiON). |HfO2 and |HfSiO are susceptible to crystallization during dopant activation annealing. NEC Electronics has also announced the use of a |HfSiON dielectric in their 55 nm UltimateLowPower technology. However, even |HfSiON is susceptible to trap related leakage currents, which tend to increase with stress over device lifetime. This leakage effect becomes more severe as hafnium concentration increases. There is no guarantee, however, that hafnium will serve as a de facto basis for future high κ dielectrics. The 2006 ITRS roadmap predicted the implementation of high κ materials to be commonplace in the industry by 2010.