Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью в микроэлектронике.
High-κ dielectric
Высоко-κ диэлектрики в полупроводниках: замена диоксида кремния для миниатюризации микроэлектроники и продолжения закона Мура. Высокая диэлектрическая проницаемость.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Материал с высокой диэлектрической проницаемостью по отношению к диоксиду кремния.
Material with a high permittivity relative to silicon dioxide
В полупроводниковой промышленности термин "высоко-κ диэлектрик" относится к материалу с высокой диэлектрической постоянной (κ, каппа) по сравнению с диоксидом кремния. Высоко-κ диэлектрики используются в процессах производства полупроводников, где они обычно применяются для замены диэлектрика затвора из диоксида кремния или другого диэлектрического слоя в устройстве. Внедрение высоко-κ диэлектриков затвора – одна из нескольких стратегий, разработанных для дальнейшей миниатюризации микроэлектронных компонентов, что в разговорной речи называют продолжением закона Мура. Иногда эти материалы называют "high-k" (произносится "хай-кей"), вместо "высоко-κ" (высокая каппа).
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).
Потребность в материалах с высоким К
Диоксид кремния (SiO2) использовался в качестве диэлектрика затвора на протяжении десятилетий. По мере уменьшения размеров металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET), толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния постоянно уменьшалась для увеличения емкости затвора (на единицу площади) и, следовательно, тока управления (на единицу ширины устройства), что повышало производительность прибора. При уменьшении толщины ниже 2 нм токи утечки, вызванные туннелированием, резко возрастают, что приводит к высокому энергопотреблению и снижению надежности прибора. Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния на материал с высокой диэлектрической проницаемостью (высоко-κ материал) позволяет увеличить толщину затвора, тем самым уменьшая емкость затвора без сопутствующих эффектов утечки.
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.
Материалы и соображения
Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния другим материалом усложняет технологический процесс. Диоксид кремния может быть сформирован путем окисления подложки из кремния, что обеспечивает равномерный, конформный оксид и высокое качество интерфейса. В связи с этим, усилия разработчиков были сосредоточены на поиске материала с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью, который можно было бы легко интегрировать в производственный процесс. Другие важные факторы включают выравнивание энергетических зон с кремнием (что может изменить ток утечки), морфологию пленки, термическую стабильность, сохранение высокой подвижности носителей заряда в канале и минимизацию электрических дефектов в пленке/на интерфейсе. Значительное внимание уделяется силикату гафния, силакату циркония, диоксиду гафния и диоксиду циркония, которые обычно осаждаются методом атомно-слоевого осаждения. Ожидается, что дефектные состояния в диэлектрике с высокой диэлектрической проницаемостью могут влиять на его электрические свойства. Дефектные состояния можно измерить, например, с помощью спектроскопии теплостимулированного тока при нулевом смещении, спектроскопии теплостимулированного тока при нулевом градиенте температуры и нулевом смещении, или спектроскопии неэластичного туннелирования электронов (IETS).
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).
Промышленное использование
С 1990-х годов в промышленности используются оксинитридные диэлектрики затвора, в которых традиционно сформированный диэлектрик оксида кремния легируется небольшим количеством азота. Содержание нитрида незначительно повышает диэлектрическую проницаемость и, как считается, обеспечивает другие преимущества, такие как устойчивость к диффузии примесей через диэлектрик затвора. В 2000 году Гуртеж Сингх Санду и Трунг Т. Доан из Micron Technology начали разработку высоко-κ пленок, полученных методом атомно-слоевого осаждения, для устройств памяти DRAM. Это способствовало экономически эффективной реализации полупроводниковой памяти, начиная с 90-нм технологического узла DRAM. В начале 2007 года Intel объявила о внедрении высоко-κ диэлектриков на основе гафния в сочетании с металлическим затвором для компонентов, изготовленных по 45-нанометровой технологии, и начала поставки их в серии процессоров 2007 года с кодовым названием Penryn. В то же время IBM объявила о планах перехода на высоко-κ материалы, также на основе гафния, для некоторых продуктов в 2008 году. Хотя конкретный состав не указан, наиболее вероятным диэлектриком, используемым в таких приложениях, является некая форма нитрированных силикатов гафния (HfSiON). HfO2 и HfSiO подвержены кристаллизации при отжиге активации примесей. NEC Electronics также объявила об использовании диэлектрика HfSiON в своей 55-нм технологии UltimateLowPower. Однако даже HfSiON подвержен токам утечки, связанным с ловушками, которые, как правило, увеличиваются при напряжении в течение срока службы устройства. Этот эффект утечки усиливается с ростом концентрации гафния. Тем не менее, нет гарантии, что гафний станет фактической основой для будущих высоко-κ диэлектриков. В дорожной карте ITRS 2006 года прогнозировалось, что к 2010 году внедрение высоко-κ материалов станет обычным явлением в отрасли.
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.