Transistorien miniaturisointia koskeva meneillään oleva Quest-kysely

Jo vuosikymmeniä, puolijohdeteollisuus on seurannut Moore. Law, kutistuvat transistori mitat pakata enemmän laskentatehoa yhä pienemmille alueille. Tämä sitkeä skaalaus on mahdollistanut älypuhelimien, pilvipalvelimien ja tekoälyn kiihdyttimet, jotka määrittelevät modernin elämän. Kuitenkin, transistoriportin pituudet lähestyvät atomin mittakaavassa, perinteinen piidioksidi (SiO2) portti dielektrinen.Kultastandardiin. Kun SiO2-kerroksia ohennetaan vain muutamaan atomiin, kvanttimekaaniset tunnelit aiheuttavat liiallista porttivuotovirtaa, lisääntyvää tehon hajautumista ja heikentävää laitteen suorituskykyä. Korkea-aktiiviset (korkea-k) dielektriset materiaalit ovat nousseet keskeiseksi tilalle, mikä mahdollistaa jatkuvan skaalauksen ilman sähköeheikkoutta.

Miksi dielektrisiä aineita transistoreissa

Kapasitanssi ja porttipino

Portti koostuu metallioksidi-puolijohte-transistorissa (MOSFET) metallielektrodista (tai voimakkaasti dopingiin perustuvasta polypiistä), joka on erotettu puolijohdekanavasta eristävällä kerroksella. Portti toimii kapennimena: jännitteen käyttäminen johtaa johtokanavaa piin alla. Kyky säätää kanavalataus on suoraan verrannollinen porttikapasitanssiin yksikköä kohti, joka on [C = k × ε0 / t], jossa [] on eristeen dielektrivakio (suhteellinen lupakelpoisuus)].

Vuotoongelma

Kun SiO2-paksuus laskee alle ~1,5 nanometriä, suorat tunnelivirrat muuttuvat kohtuuttoman korkeiksi. Sähkökalvot voivat ylittää eristeen silloinkin, kun transistorin oletetaan olevan pois päältä, tuhlaavan energiaa ja tuottavan lämpöä. Teollisuuden vastaus oli löytää materiaali, jonka arvo on korkeampi []k[], jotta fyysisesti paksumpi kalvo voisi tarjota saman vastaavan oksidin paksuuden (EOT) kuin ultraohut SiO2-kerros. EOT määritellään t(SiO2) = t(korkea-k) × k(high-k). Korkea-arvoisella eristeellä valmistajan on mahdollista kolminkertaistaa tai nelinkertaistaa fyysinen paksuus samalla tavoin kuin sähköllä, mikä vähentää merkittävästi tunnelien vuotoa.

Korkea-kevyt-dielektriset laitteet ja niiden ominaisuudet

Avainmateriaalit

Nykyaikaisen CMOS-logiikan yleisin korkeak-materiaali on hafniumdioksidi (HfO2), jonka dielektrinen vakio on noin 20.25, verrattuna 3.9:een SiO2:ssa. Muita merkittäviä ehdokkaita ovat zirkoniumdioksidi (ZrO2, k[[]] . k[[[]]. Alumiinioksidi (Al2O3, [[[]].] k[[[]].] .

Miksei vain käyttää Thicker Low-K Material?

Jos matalan k-dielektrisen aineen määrä on paksumpi vuotojen vähentämiseksi, kapasitanssi laskee ja transistori menettää kykynsä vaihtaa nopeasti. Korkean k-materiaalin avulla tämä ongelma voidaan ratkaista säilyttämällä kapasitanssi samalla kun tunnelit vaimennetaan. Yhtä tärkeää on, että monet korkean k-dielektriset eristeet talletetaan atomikerroslaskeuman (ALD) avulla. Tämä tekniikka tarjoaa atomitason paksuudenhallinnan ja erinomaisen muodon monimutkaisen kolmiulotteisen transistorin, kuten FinFET- ja portti-all-yworth-nanoarkkien (GAA-) suhteen.

Integraatiohaasteet: Metalliportit ja liitännät

Phonon ja Charge-rappujuttu

SiO2:n korvaaminen korkea-aktiivisella dielektrisellä eristeellä ei ole yksinkertainen korvaava tekijä. Suurilla k-materiaaleilla on usein pienempi energiakaistan aukko ja suurempi loukkujen tiheys piin rajapinnassa. Nämä ansat voivat kaapata lataustelineitä, aiheuttaa kynnysjännitesiirtoja, liikenteen hidastumista ja luotettavuusongelmia, kuten harhalämpötilan epävakautta (BTI) ja aikariippuvuutta (TDB). Näiden vaikutusten lieventämiseksi valmistajat yleensä lisäävät korkean-keskeisen kalvon ja piikanavan välille ultraohuen kalvon (usein SiO2 tai SiON, ~0,5...1 nm). Tämä ....

Työn suunnittelu ja metalliportit

Polypii-portit ovat yhteensopimattomia monien Fermi-tason pinning- ja definition-vaikutusten kanssa. Ala ratkaisi tämän vaihtamalla metalliportteihin, joissa on viritystoiminnot. N-tyypin ja p-tyypin MOSFET-portit, eri metallit (esim. TiAl nFET-, MoN- tai Tin-pFET-järjestelmä) valitaan asettamaan oikeat kynnysjännitteet. Intelin vuonna 2007 käyttöön ottamasta korkea-k / metalliporttipinosta (HKMG) tuli standardi kaikissa kehittyneissä logiikkaprosesseissa.

Valmistustekniikat

Atomikerrospinnoitus (ALD)

ALD on suositeltavin menetelmä korkea-kedielektrien tallettamiseksi, koska se perustuu itserajoittaviin pintareaktioihin. HfO2:n tyypillinen sykli käyttää tetrakis(dimetyyliamido)hafniumia ja vesihöyryä vuorotellen. Tämä tuottaa kalvon, joka on tasainen 300 mm piikkikiekon ja syvään upotettujen ominaisuuksien kanssa. ALD mahdollistaa myös kalvon koostumuksen tarkan hallinnan, jolloin muodostuu ternaarisia oksideja tai monikerroksisia (esim. HfZrO4) optimoidakseen k[ ja luotettavuutta.

Laskemisen jälkeinen Annelointi

ALD:n jälkeen käytetään korkean lämpötilan hehkutusvaihetta (yleensä inerttinä ympäristönä kuten N2 tai muodostavan kaasuna) kalvon karkaisuun, vian tiheyden vähentämiseen ja kiteytyvyyden parantamiseen. HfO2:n kristallivaihe vaikuttaa voimakkaasti sen sallivuuteen: yksikuorinen vaihe (yleinen laskeuman jälkeen) on []k[] .17, kun taas tetragonaali- tai kuutiovaiheet voivat saavuttaa ]k[] > 30. Hallittu hehkutus voi edistää haluttua vaihetta, mutta liiallinen lämpöbudjetti voi heikentää kasvojenvälisen kerroksen tai aiheuttaa dopanttidiffuusion.

Luotettavuus- ja hajoavuusmekanismit

Bias lämpötila epävakaus (BTI)

Pitkittyneen portin jännitejännityksen aikana korkea-k-kerroksen latausloukku aiheuttaa kynnysjännitteen vähittäisen siirtymisen. Tämä on erityisen vakavaa PMOS-laitteille, jotka ovat negatiivisen aaltopituuden alapuolella (NBTI). HfO2:n ansojen suuri tiheys verrattuna SiO2:een tekee BTI:stä kriittisen huolenaiheen. Tutkijat tutkivat hapenpoistotekniikoita ja typen sisällyttämistä ansan tiheyden vähentämiseksi.

Aika-tehokas dielektrinen jakautuminen (TDDB)

Tunnetaan myös nimellä oksidin hajoaminen, TDBB rajoittaa transistorin elinikää. Korkean k-pinoissa hajoaminen etenee sekä korkea-k- että kasvojenvälisillä kerroksilla muodostuvien perkolaatioreittien kautta. Epäonnistuminenlukujen ennustamiseen käytetään tilastollisia malleja, kuten Weibull-jakaumaa, ja prosessiparannukset.

Tulevaisuuden Suunnat: Tavanomaisen High-k:n lisäksi

Ferrosähköinen HfO2 ja negatiivinen kapasitanssi

Odottamaton löytö 2010-luvulla oli se, että tietyt HfO2:n (ortorhombinen) kiteisvaiheet ovat ferrosähköä. Tämä avaa oven negatiivisille kapasitanssitransistoreille, joissa ferrosähkön kytkentä voi vahvistaa portin jännitettä ja mahdollistaa ali-60 mV/decade-kytkimen (Boltzmannin raja). Ferrosähköistä HfO2:ta käytetään jo ferrosähköisen satunnaisen muistin prototyyleissa (FERAM) ja logiikkasovelluksia tutkitaan aktiivisesti.

Korkea-k 2D-materiaaleilla

Kaksiulotteiset puolijohteet, kuten MoS2 ja WSe2, tarjoavat äärimmäistä kanavan ohutta (yksi atomikerros) ja lupaavat jatkaa skaalausta piin rajojen yli. Kuitenkin 2D-pinnalla olevan korkean k-eristeen tallettaminen vahingoittamatta herkkää kerrosta tai luomatta liian monta käyttöliittymäloukkua, on edelleen haaste. Viimeaikainen työ siementettyä ALD:tä ja molekyylikerroslaskeumaa (MLD) käyttäen osoittaa edistystä, ja 2D-kanavien ja korkea-porttieristimien yhdistäminen voisi pidentää Moore...

Vaihtoehtoiset korkea-tason ehdokasmaat

Materiaalit kuten LaLuO3, AlScN ja BaTiO3 tutkitaan niiden ultra-korkeat luvat tai uusia ominaisuuksia. Logiikan osalta ensisijaisena tavoitteena on työntää EOT alle 0,5 nm ja pitää vuodot hyväksyttävissä rajoissa. Tämä edellyttää paitsi suurta []k[]], myös riittävän suurta taajuuskuilua (>5 eV) ja yhteensopivuutta CMOS lämpöbudjetin kanssa.

Päätelmät

Korkean tason dielektriset eristeet eivät ole vain lisäparannus; ne ovat nykyaikainen puolijohdeteknologian perusedellytys. Kun SiO2 korvataan hafniumdioksidin ja zirkoniumdioksidin kaltaisilla materiaaleilla, teollisuus kutistaa edelleen transistoreita ja valvoo vuotoja ja ylläpitää suorituskykyä. Korkean tason dielektristen eristeiden onnistuneesta integroinnista metalliportteihin on tullut kaikkien kehittyneiden logiikkasolmukkeiden kulmakivi 45 nm:stä sub-3 nm:n aikakauteen. Kun ala työntää kohti porttia-kaikkia transistoreita ja tutkii 2D-kanavia, huippudielektrojen fysiikka ja suunnittelu pysyy edelleen vilkkaana tutkimuskenttänä .Luontoarvostelut Materiaalit [[] on korkea-asteella ] ja rautametallien aallonpituuden osalta.