התפקיד של High-k Dielectrics בסקלינג Down Semiconductor Transistors

The Onמתמשכים Quest for Transistor Miniaturization

במשך עשרות שנים, תעשיית המוליכים למחצה הלכה בעקבות חוק מור, מכווץ ממדים טרנסטור כדי לארוז יותר כוח מחשוב לתוך אזורים קטנים יותר אי פעם. זה קנה מידה ללא רחמים אפשר את הטלפונים החכמים, שרתי הענן, ו מאיצים AI המגדירים את החיים המודרניים.עם זאת, כמו התמחויות שער טרנזיסטור לגשת לגודל האטומי, סיליקון הדו-חמצני המסורתי (SiO2) dielectric שער - על תקן הזהב - כלומר, רק אטומים גדולים של נפח חשמלי גבוה, כאשר הם גורמים פחמן גבוה יותר.

למה דיאלקטריקה משנה ב Transistors

Capacitance and the Gate Stack

(ב) , ערימה של מתכת-פחמן-סולק (MOSFET), ערימה השער מורכבת מאלקטרודה (או פולי-סילייקון) מופרדת מהערוץ המוליכים למחצה על ידי שכבת בידוד: 3 (F) קיבולת של LT2 (F) היא בעלת כורה קבועה: LT2F) אשר היא בעלת כורח (F) אשר היא בעלת קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת:2.

בעיית ה-Leakage

כאשר עובי SiO2 טיפות למטה -1.5 ננומטר, זרמי מנהרה ישירה הופכים גבוה ללא ספק אלקטרון יכול לחצות את הממריץ אפילו כאשר transistor אמור להיות כבוי, בזבוז כוח ויצר חום.התשובה של התעשייה הייתה למצוא חומר עם עובי חשמלי גבוה יותר:0kFalpht1LT הערך כך שהסרט עבה יכול לספק את אותה סימטרית / t2k) כמו C2n2 / E.

דיאלקטרי קוק ונכסים שלהם

חומרים מרכזיים

(הופנה מהדף CMOS לוגיקה מודרנית היא TERNUM דו-חמצני (HfO2), עם קבוע דיאלקטרי של כ-20-25, בהשוואה ל 3.9 עבור SiO2. מועמדים בולטים אחרים כוללים את זירקוניום דו-חמצני (ZrO2, FLT: 0kFLT 1 ⁇ 25–30), סגסוגת אלומיניום (Al2O,F2, 3)

למה לא רק להשתמש בחומרים נמוכים יותר?

אם דיאלקטרי נמוך נעשה עבה יותר כדי להפחית את הדליפה, טיפות הקפאה, ואת transistor מאבד את היכולת שלו לעבור במהירות.חומרים גבוהים לפתור את הדילמה זו על ידי שמירה על קיבוליות תוך דיכוי מנהרה. חשוב באותה מידה, הרבה דיאלקטריות גבוהות מופקדות על ידי שימוש בשכבת אטום (AL), טכניקה המספקת שליטה ברמה אטומית מעולה ועקביות על פני שלושה גליונות מורכבים כמו גלונים אטומיים (Averse) כמו אטומיים).

אתגרים: Metal Gates and Interfaces

« ה- Phonon and Charge טרמפ

החלפת SiO2 עם dielectric גבוהה דיו הוא לא טיפה פשוט ירידה חומרים גבוהים יותר של חומר גבוה הילוך לעתים קרובות יש פער אנרגיה נמוך יותר צפיפות גבוהה של מדינות מלכודות בממשק עם סיליקון. מלכודות אלה יכולים ללכוד ספקים המטען, גרימת מתחי סף שינוי סיליקון, ניידות מופחתת, ובעיות אמינות כגון חוסר יציבות מוטה (BTI) וזמן דיאלקטרי דיאלקטרי (TDD) כדי להפחית את האפקטים גבוהים (SiOD) או באיכות גבוהה) בדרך כלל)

הנדסה פונקציונלית ו- Metal Gates

שערי פולי-סיליקון אינם עולים בקנה אחד עם חומרים רבים של דיו גבוה בגלל אפקטי פינץ ופענוח של פרמי שמדכאים ביצועים.התעשייה פתרה זאת על ידי מעבר לשערי מתכת עם פונקציות עבודה טוטליות.עבור N-type ו p-p-type MOSFET, מתכות שונות (למשל, TiAl for nFET, MoN או TiN for pETF) נבחרו ל-pF) ל-p-p-p-p-p-R.

שיטות ייצור

שכבת אטומית (ALD)

ALD היא השיטה המועדפת להפקיד דיאלקטריות גבוהות כי היא מסתמכת על תגובות על פני השטח עצמיות. מחזור טיפוסי עבור HfO2 משתמשת בשינוי החשיפה של tetrakis (dimethylamido)hafnium ו- vapor מים. זה מניב סרט עם אחידות על 300 מ"מ ובתוך תכונות מוצקות מאוד. ALD מאפשר גם שליטה מדויקת של ה- Hternk (OD) LTD.

תגית: Annealing

לאחר ALD, שלב של חלוף זמן גבוה (בדרך כלל בנקודת מבט כמו N2 או הקמת גז) משמש כדי להדפס את הסרט, להפחית את הניתנות פגומה, ולשפר את הקריסטליות.השלב הקריסטל של HfO2 משפיע מאוד על ההיתר שלו: שלב מונוקליני (אחרי deposition) יש שליטה:0kalphtrated; 172 יכול לקדם את השלב המתואם או ⁇ ) אבל יכול להשיג את התוספת ה- 30.

אמינות וגירוש מכניזם

חוסר יכולת בטמפרטורות (BTI)

תחת מתח ארוך של מתח שער, המלכודת המטען בשכבת ה-k גורמת לשינוי הדרגתי במתח סף.זה חמור במיוחד עבור מכשירי pMOS תחת הטיה שלילית (NBTI) צפיפות גבוהה של מלכודות טרום-existing ב HfO2 ביחס SiO2 עושה BTI דאגה קריטית. החוקרים חוקרים טכניקות מתפתלות חמצן ושילוב חנקן כדי להפחית את צפיפות המלכודת.

זמן-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)

ידוע גם כהתמוטטות תחמוצת, TDDB מגביל את החיים של transistor. בערימה גבוהה של קק, התמוטטות נמשכת דרך היווצרות של נתיבי ההנצחה הן את השכבות הגבוה והגזעיות. מודלים סטטיסטיים כגון הפצת Weibull משמשים לחיזוי שיעורי כישלונות, ושיפורים תהליכים - כגון אופטימיזציה היחס של השכבה הכפולה - יש אמינות מורחבת.

כיוונים עתידיים: Beyond Conventional High-k

Ferroelectric HfO2 ו-Cacitance שלילי

גילוי בלתי צפוי בשנות ה -2010 היה כי שלבים גבישיים מסוימים של HfO2 (אורתודומופוביה) להציג ferroelectricity.This פותחים את הדלת לטרנזיסטים של קיבולים שליליים, שבו המעבר הפורוטוי יכול להגביר את מתח השער ולאפשר החלפת תת- 60 מ"ר / decade (גבול בולצמן).

המונחים: 2D Materials

שני מוליכים למחצה תלת-ממדיים כמו MoS2 ו- WSe2 מציעים דקת ערוץ האולטימטיבי (שכבה אטומית אחת) ומבטיחים המשך הסקאלה מעבר לגבולות הסיליקון.עם זאת, תוך פקדת דיאלקטרי גבוה על פני משטח 2D ללא פגיעה בשכבה שברירית או יצירת מלכודות ממשקים רבים מדי נשאר אתגר אחרון באמצעות ALD ו- מולקולרית (D) מראה התקדמות, ושילוב של 2D ערוצים אחרים יכול להאריך.

מועמדים ל-k

חומרים כגון LaLuO3, AlScN, ו- BaTiO3 נמצאים בחקירה עבור ההיתר הגבוה ביותר שלהם או תכונות חדשות. עבור לוגיקה, המטרה העיקרית היא לדחוף את EOT מתחת 0.5 nm תוך שמירה על דליפות בתוך גבולות מקובלים.זה דורש לא רק גבוה FLT:0kFLT:1 אלא גם פער גדול מספיק (> EV) והתאמה עם תאימות תרמית.

מסקנה

(התקני אלקטרו-אלקטרי גבוהים אינם רק שיפור מצטבר; הם מהווים גורם בסיסי לטכנולוגיה של מוליכים למחצה מודרנית (SiO2) על ידי החלפת חומרים כמו דו-חמצני ו- zirconium דו-חמצני, התעשייה ממשיכה לכווץ טרנזירים בעוד שליטה בדליפה ושמירה על ביצועים מוצלחים של דיאלקטריקים גבוהים עם שערי מתכת הפכה אבן הפינה של כל לוגיקה מתקדמת ללא מצופה מ 45 מ"מ"ק: