Table of Contents
Η Συνεχιζόμενη Αναζήτηση για τη Διαμετακόμιση
Για δεκαετίες, η βιομηχανία ημιαγωγών ακολουθεί το Νόμο του Moore, συρρικνώνοντας τις διαστάσεις τρανζίστορ για να συσκευάσει περισσότερη υπολογιστική ισχύ σε όλο και μικρότερες περιοχές. Αυτή η αδυσώπητη κλιμάκωση έχει επιτρέψει τα smartphones, τους διακομιστές νεφών και τους επιταχυντές AI που καθορίζουν τη σύγχρονη ζωή. Ωστόσο, καθώς τα μήκη πύλης τρανζίστορ πλησιάζουν την ατομική κλίμακα, η παραδοσιακή διηλεκτρική πύλη του πυριτίου (SiO2) ⁇ όταν το πρότυπο χρυσού ⁇ γίνει κρίσιμος εγκλεισμός. Όταν τα στρώματα SiO2 αραιώνονται σε λίγα μόνο άτομα, η κβαντική μηχανική σήραγγα προκαλεί υπερβολική διαρροή ρεύματος πύλης, αύξηση της διαρροής ισχύος και υποβάθμιση της απόδοσης συσκευών. Υψηλής υπερικανότητας (υπερμιτότητας) διηλεκτρικά υλικά έχουν αναδειχθεί ως η απαραίτητη αντικατάσταση, επιτρέποντας τη συνέχιση της κλιμάκωσης χωρίς να θυσιάζει ηλεκτρική ακεραιότητα. Αυτό το άρθρο διερευνά τη φυσική των διηλεκτρικών σε τρανζίστορ, τις ιδιότητες των υψηλών υλικών, την ενσωμάτωση τους στην κατασκευή και τις ερευνητικές κατευθύνσεις που θα καθορίσουν.
Γιατί η Διηλεκτρική Ύλη στους Διηθητές
Χωρητικότητα και η στοίβα της πύλης
Σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου από μέταλλο-οξείδιο-ημιαγωγό (MOSFET), η στοίβα πύλης αποτελείται από ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο (ή πολύ πυκνωμένο πολυπυριτικό) που διαχωρίζεται από το κανάλι ημιαγωγών από ένα μονωτικό στρώμα ⁇ το διηλεκτρικό πώμα. Η πύλη λειτουργεί ως πυκνωτής: η εφαρμογή τάσης προκαλεί ένα δίαυλο στο κάτω μέρος του πυριτίου. Η δυνατότητα ρύθμισης της φόρτισης του καναλιού είναι άμεσα ανάλογη με την ικανότητα της χωρητικότητας πύλης ανά μονάδα, η οποία για έναν παράλληλο πυκνωτή είναι C = k × ε0 / t, όπου είναι η σταθερά διηλεκτρικής ισχύος (relative allstructity) του μονωτικού φορέα ] είναι η ικανότητα είναι η ικανότητα να διατηρεί το πάχος του αγωγού.
Το Πρόβλημα Διαρροής
Όταν το πάχος SiO2 πέφτει κάτω από ~1.5 νανομέτρα, τα άμεσα ρεύματα σήραγγας γίνονται απαράδεκτα υψηλά. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να διασχίσουν τον μονωτή ακόμα και όταν το τρανζίστορ υποτίθεται ότι είναι εκτός λειτουργίας, σπαταλώντας ισχύ και παράγοντας θερμότητα. Η απάντηση του κλάδου ήταν να βρει ένα υλικό με υψηλότερη τιμή k έτσι ώστε ένα σωματικά παχύτερο φιλμ να μπορεί να παρέχει το ίδιο ισοδύναμο πάχος οξειδίου (EOT) με ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα SiO2. Ο EOT ορίζεται ως t(SiO2) = t(high ⁇ k) × k(SiO2) / k(high ⁇ k). Χρησιμοποιώντας ένα υψηλής ισχύος διηλεκτρικό επιτρέπει σε έναν κατασκευαστή τριπλό ή τετραπλάσιο φυσικό πάχος, ενώ διατηρεί το ηλεκτρικό ίδιο πάχος, μειώνοντας δραματικά τη διαρροή σήραγγας.
Κοινή διηλεκτρική υψηλής ⁇ k και τις ιδιότητές τους
Βασικά υλικά
Το πιο ευρέως υιοθετημένο υλικό υψηλής ποιότητας στη σύγχρονη λογική CMOS είναι το διοξείδιο του χαυλίου (HfO2), με διηλεκτρική σταθερά περίπου 20 ⁇ 25, σε σύγκριση με το 3.9 για το SiO2. Άλλοι εξέχοντες υποψήφιοι περιλαμβάνουν το διοξείδιο του ζιρκονίου (ZrO2, k ⁇ 25 ⁇ 30], το οξείδιο του αργιλίου (Al2O3, ]k ⁇ 9 ⁇ 10], και το οξείδιο του λανθανίου (La2O3, ]k ⁇ 27). Για πυκνωτές DRAM, τιτανίου ⁇ στροντίου ⁇ με βάση τις δυσκολίες στο εμπόριο προσφέρει μια μεγάλη [S] σταθερότητα (k]]k > 100] > 100) χρησιμοποιούνται, αν και είναι λιγότερο κοινές σε λογικές τρανζίστορς λόγω προβλημάτων. Κάθε υλικό προσφέρει: μια μεγάλη διαφορά μεταξύ των διαρροών [F] [F] [F]
Γιατί να Μη Χρησιμοποιείτε Απλώς ένα Υλικό Θέρυρας;
Αν ένα διηλεκτρικό χαμηλής ισχύος γίνει παχύτερο για να μειώσει τη διαρροή, η χωρητικότητα πέφτει, και το τρανζίστορ χάνει την ικανότητά του να αλλάξει γρήγορα. Τα υλικά υψηλής ⁇ k λύνουν αυτό το δίλημμα διατηρώντας τη χωρητικότητα κατά την καταστολή της σήραγγας. Εξίσου σημαντικό, πολλά διηλεκτρικά υψηλής ⁇ k εναποτίθενται με τη χρήση ατομικής εναπόθεσης στρώματος (ALD), μια τεχνική που παρέχει ατομικό έλεγχο πάχους επιπέδου και άριστη συμμόρφωση πάνω από πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές τρανζίστορ, όπως τα Φινφέ και πύλη ⁇ όλα ⁇ γύρω από (GAA) νανοφύλλα.
Προκλήσεις ενσωμάτωσης: Μεταλλικές πύλες και διεπαφές
Το θέμα του φωνονιού και της παγίδευσης φορτίων
Τα υλικά υψηλής ⁇ k έχουν συχνά χαμηλότερο κενό ζώνης ενέργειας και υψηλότερη πυκνότητα καταστάσεων παγίδας στη διεπαφή με το πυρίτιο. Αυτές οι παγίδες μπορούν να συλλάβουν φορείς φόρτισης, προκαλώντας αλλαγές τάσης κατωφλίου, μειωμένη κινητικότητα φορέα, και προβλήματα αξιοπιστίας όπως η αστάθεια της θερμοκρασίας μεροληψίας (BTI) και η εξαρτώμενη από το χρόνο διηλεκτρική διάσπαση (TDDB). Για να μετριάσει αυτά τα αποτελέσματα, οι κατασκευαστές συνήθως εισάγουν ένα εξαιρετικά λεπτό διαπροσωπικό στρώμα (συχνά SiO2 ή SiON, ~0.5 ⁇ nm) μεταξύ του υψηλής ⁇ k φιλμ και του καναλιού πυριτίου. Αυτή η «διηλεκτρική» στοίβα διατηρεί μια υψηλής ποιότητας διεπαφή, ενώ ωφελείται από το υψηλό ⁇ k χύμα.
Μηχανική και μεταλλικές πύλες λειτουργίας εργασίας
Οι πύλες πολυπυριτίου είναι ασύμβατες με πολλά υλικά υψηλής ποιότητας λόγω της Ferri ⁇ επίπεδη pinning και την εξάντληση των αποτελεσμάτων που υποβαθμίζουν την απόδοση. Η βιομηχανία έλυσε αυτό με τη μετάβαση σε μεταλλικές πύλες με συντονισμένες λειτουργίες εργασίας. Για n ⁇ type και p ⁇ type MOSFETs, διαφορετικά μέταλλα (π.χ. TiAl για nFET, MoN ή TiN για pFET) επιλέγονται για να ορίσουν τις σωστές τάσεις κατωφλίου. Η στοίβα υψηλής ⁇ k / μεταλλικής πύλης (HKMG), που εισήχθη από την Intel το 2007 στον κόμβο 45 nm, έγινε το πρότυπο για όλες τις προηγμένες διαδικασίες λογικής.
Τεχνικές παραγωγής
Απόθεση ατομικής στιβάδας (ALD)
Η ALD είναι η προτιμώμενη μέθοδος για την εναπόθεση διηλεκτρικών υψηλής-k επειδή βασίζεται σε αυτοπεριοριζόμενες αντιδράσεις επιφάνειας. Ένας τυπικός κύκλος για την HfO2 χρησιμοποιεί εναλλασσόμενες εκθέσεις τετρακις(διμεθυλαμιδο)αφνίου και υδρατμών. Αυτό δίνει μια ταινία με ομοιομορφία σε μια 300 mm wafer και μέσα βαθιά εσοχές χαρακτηριστικά. Η ALD επιτρέπει επίσης τον ακριβή έλεγχο της σύνθεσης του φιλμ, επιτρέποντας το σχηματισμό τριμερών οξειδίων ή πολυστρωματικών (π.χ., HfZrO4) να βελτιστοποιήσει k] και την αξιοπιστία.
Μετά την Ανάλυση της Αποθέματος
Μετά την ALD, χρησιμοποιείται ένα βήμα ανόπτησης υψηλής θερμοκρασίας (συνήθως σε αδρανές περιβάλλον όπως το N2 ή το αέριο σχηματισμού): η μονοκλινική φάση (κοινή μετά την εναπόθεση) έχει k ⁇ 17, ενώ οι τετραγωνικές ή κυβικές φάσεις μπορούν να επιτύχουν k] > 30. Η ελεγχόμενη ανόπτηση μπορεί να προωθήσει την επιθυμητή φάση, αλλά ο υπερβολικός θερμικός προϋπολογισμός μπορεί να υποβαθμίσει το διαπροσωπικό στρώμα ή να προκαλέσει διάχυση ενδοφύλου.
Μηχανισμοί αξιοπιστίας και υποβάθμισης
Ανθεκτικότητα θερμοκρασίας Bias (BTI)
Αυτό είναι ιδιαίτερα σοβαρό για συσκευές pMOS υπό αρνητική προκατάληψη (NBTI). Η υψηλή πυκνότητα των προϋπαρχουσών παγίδων στο HfO2 σε σχέση με το SiO2 καθιστά την BTI κρίσιμη ανησυχία. Οι ερευνητές ερευνούν τεχνικές ανίχνευσης οξυγόνου και ενσωμάτωση αζώτου για τη μείωση της πυκνότητας παγίδων.
Χρόνος ⁇ Εξαρτώμενη διηλεκτρική ανάλυση (TDDB)
Σε στοίβες υψηλής-k, η διάσπαση προχωρά μέσω του σχηματισμού διαδρομών διακλάδωσης τόσο στα στρώματα υψηλής-k όσο και στα διαπροσωπικά στρώματα. Στατιστικά μοντέλα όπως η κατανομή Weibull χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη των ποσοστών αποτυχίας, και βελτιώσεις της διαδικασίας ⁇ όπως η βελτιστοποίηση του λόγου πάχους του διπλού στρώματος ⁇ έχουν επεκταθεί περιθώρια αξιοπιστίας.
Μελλοντικές οδηγίες: Πέρα από Συμβατική High ⁇ k
Σιδηροηλεκτρικές HfO2 και αρνητική ικανότητα
Μια απροσδόκητη ανακάλυψη στη δεκαετία του 2010 ήταν ότι ορισμένες κρυσταλλικές φάσεις του HfO2 (ορθορομβική) παρουσιάζουν σιδηροηλεκτρικότητα. Αυτό ανοίγει την πόρτα σε αρνητικά τρανζίστορ χωρητικότητας, όπου η σιδηροηλεκτρική μεταγωγής μπορεί να ενισχύσει την τάση πύλης και να ενεργοποιήσει την υπο-60 mV/decade μεταγωγής (όριο Boltzmann).
Υψηλής ⁇ k σε 2D υλικά
Οι ημιαγωγοί δύο διαστάσεων όπως το MoS2 και το WSe2 προσφέρουν απόλυτη λεπτότητα καναλιού (ένα ατομικό στρώμα) και υπόσχονται συνεχή κλιμάκωση πέρα από τα όρια του πυριτίου. Ωστόσο, η εναπόθεση ενός διηλεκτρικού υψηλής-k σε μια 2D επιφάνεια χωρίς να βλάπτουν το εύθραυστο στρώμα ή δημιουργώντας πάρα πολλές παγίδες διασύνδεσης παραμένει μια πρόκληση.
Εναλλακτικές Υποψήφιες Υψηλές ⁇ κ
Υλικά όπως το LaLuO3, το AlScN και το BaTiO3 βρίσκονται υπό έρευνα για τις εξαιρετικά υψηλές δυνατότητες ή τις νέες ιδιότητές τους. Για τη λογική, ο πρωταρχικός στόχος είναι να πιέσουμε τον ΕΟΤ κάτω από τα 0,5 nm, διατηρώντας παράλληλα διαρροή εντός αποδεκτών ορίων. Αυτό απαιτεί όχι μόνο υψηλή [k αλλά και αρκετά μεγάλο κενό ζώνης (>5 eV) και συμβατότητα με θερμικούς προϋπολογισμούς CMOS.
Συμπέρασμα
Η βιομηχανία, αντικαθιστώντας το SiO2 με υλικά όπως το διοξείδιο του χαυλίου και το διοξείδιο του ζιρκονίου, συνεχίζει να συρρικνώνει τα τρανζίστορ, ελέγχοντας παράλληλα τη διαρροή και τη διατήρηση των επιδόσεων. Η επιτυχής ενσωμάτωση των διηλεκτρικών συστημάτων υψηλής ισχύος με μεταλλικές πύλες έχει γίνει ο ακρογωνιαίος λίθος κάθε προηγμένου λογικού κόμβου από 45 nm έως την εποχή των υπο ⁇ 3 nm. Καθώς η βιομηχανία ωθεί προς την πύλη ⁇ όλα ⁇ γύρω από τρανζίστορ και εξερευνά 2D κανάλια, η φυσική και η μηχανική των μονωτήρων υψηλής τεχνολογίας θα παραμείνει ένα ζωντανό πεδίο έρευνας. Για περαιτέρω ανάγνωση, δείτε την Εισαγωγή της HKMG στα 45 nm σε μια υψηλή ⁇ τηλεοπτική [f] δοκιμή για την κατασκευή και τη χρήση των υλικών υψηλής τεχνολογίας [FLT7].