हाय-रेटिंग: हाई-के डिइलेक्ट्रिक्स की भूमिका नीचे सेमीकंडक्टर ट्रांजिस्टर स्केलिंग में

सामान्य उच्च-के ढांकता हुआ और उनके गुण

मुख्य सामग्री

आधुनिक CMOS तर्क में सबसे व्यापक रूप से अपनाया उच्च-k सामग्री हैफनियम डाइऑक्साइड (HfO2), लगभग 20-25 के ढांकता हुआ स्थिर, SiO2 के लिए 3.9 की तुलना में। अन्य प्रमुख उम्मीदवारों में ज़िक्रोनियम डाइऑक्साइड (ZrO2, k ≈ 25-30, एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al2O3, [FLT: 2]k [FLT: 3]]], ≈ 9-10, और lanthanum ऑक्साइड (La2O3, [FLT:]]k [FLT [[FLT]]]]]], हालांकि यह एक छोटा सा अंतर है।

क्यों नहीं बस एक मोटा कम-k सामग्री का उपयोग करें?

यदि एक कम-k ढांकता हुआ रिसाव को कम करने के लिए मोटा बना दिया जाता है, तो समाई की बूंदें, और ट्रांजिस्टर तेजी से स्विच करने की क्षमता खो देता है। उच्च-k सामग्री इस दुविधा को सुरंगों को दबाकर कैपेसिटी को संरक्षित करके हल करती है। समान रूप से महत्वपूर्ण, कई उच्च-k ढांकता हुआ परमाणु परत जमावट (ALD) का उपयोग करके जमा किया जाता है, एक तकनीक जो जटिल तीन-आयामी ट्रांजिस्टर संरचनाओं जैसे फिनफ़ेट और गेट-अल-अराउंड (GAA) नैनोशीटों पर परमाणु-स्तर की मोटाई नियंत्रण और उत्कृष्ट अनुरूपता प्रदान करती है।

एकीकरण चुनौतियां: धातु गेट्स और इंटरफेस

Phononon और चार्ज Trapping मुद्दे

एक उच्च-k ढांकता हुआ के साथ SiO2 की जगह एक सरल ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन नहीं है। उच्च-k सामग्री में अक्सर कम ऊर्जा बैंड अंतराल होता है और सिलिकॉन के साथ इंटरफेस में जाल राज्यों का उच्च घनत्व होता है। ये जाल चार्ज वाहक को पकड़ सकते हैं, जिससे थ्रेसहोल्ड वोल्टेज शिफ्ट, वाहक गतिशीलता को कम किया जा सकता है, और विश्वसनीयता की समस्याएं जैसे कि तापमान पूर्वाग्रह अस्थिरता (BTI) और समय-निर्भर ढांकता हुआ टूटने (TDDB)। इन प्रभावों को कम करने के लिए, निर्माता आम तौर पर उच्च-k फिल्म और सिलिकॉन चैनल के बीच एक अति-अंतिम परत (often SiO2 या SiON, ~0.5-1 एनएम) डाल सकते हैं।

कार्य समारोह इंजीनियरिंग और धातु गेट्स

पॉली-सिलिकॉन गेट्स कई उच्च-k सामग्री के साथ असंगत हैं क्योंकि Fermi-स्तर की पिनिंग और डिप्लेशन प्रभाव जो प्रदर्शन को कम करते हैं। उद्योग ने इसे ट्यूनेबल कार्य कार्यों के साथ धातु के फाटकों पर स्विच करके हल किया। एन-प्रकार और पी-प्रकार MOSFETs के लिए, विभिन्न धातुओं (जैसे, TiAl nFET, MoN या TiN के लिए) को सही सीमा वोल्टेज निर्धारित करने के लिए चुना जाता है। उच्च-k / धातु गेट (HKMG) स्टैक, जो इंटेल द्वारा 45 एनएम नोड पर 2007 में पेश किया गया था, सभी उन्नत तर्क प्रक्रियाओं के लिए मानक बन गया।

विनिर्माण तकनीक

परमाणु परत जमा (ALD)

ALD उच्च-k dielectrics जमा करने के लिए पसंदीदा विधि है क्योंकि यह स्वयं सीमित सतह प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करता है। HfO2 के लिए एक विशिष्ट चक्र टेट्राकि (dimethylamido)hafnium और जल वाष्प के वैकल्पिक संपर्कों का उपयोग करता है। यह एक फिल्म को 300 मिमी वेफर के पार एकरूपता के साथ और गहराई से अवकाश सुविधाओं के अंदर पैदा करता है। ALD भी फिल्म संरचना के सटीक नियंत्रण को सक्षम बनाता है, जिससे टर्नरी ऑक्साइड या बहुपरतों (जैसे, HfZrO4) के गठन को अनुकूलित करने के लिए k] और विश्वसनीयता का अनुकूलन करने की अनुमति मिलती है।

पोस्ट-डिपोजिशन एनीलिंग

ALD के बाद, एक उच्च तापमान annealing कदम (आमतौर पर N2 या गैस बनाने जैसे निष्क्रिय परिवेश में) फिल्म को densify करने, दोष घनत्व को कम करने और क्रिस्टली को बेहतर बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है। HfO2 का क्रिस्टल चरण दृढ़ता से अपनी अनुमति को प्रभावित करता है: मोनोक्लिक चरण (रूपांतरण के बाद आम तौर पर) में k]] ≈ 17, जबकि टेट्रागोनल या घन चरण प्राप्त कर सकते हैं k]> 30. नियंत्रित annealing वांछित चरण को बढ़ावा दे सकता है, लेकिन अत्यधिक थर्मल बजट द्विपद या द्विपदीय परत को कम कर सकता है।

विश्वसनीयता और गिरावट तंत्र

बायस तापमान अस्थिरता (बीटीआई)

लंबे समय तक गेट वोल्टेज तनाव के तहत, उच्च-k परत में फंसने वाले चार्ज को थ्रेसहोल्ड वोल्टेज में क्रमिक बदलाव का कारण बनता है। यह विशेष रूप से नकारात्मक पूर्वाग्रह (NBTI) के तहत PMOS उपकरणों के लिए गंभीर है। SiO2 के सापेक्ष HfO2 में पूर्व-existing जाल का उच्च घनत्व BTI को एक महत्वपूर्ण चिंता बना देता है। शोधकर्ता ट्रैप घनत्व को कम करने के लिए ऑक्सीजन स्क्रेइंग तकनीक और नाइट्रोजन निगमन की जांच कर रहे हैं।

समय-निर्धारित ढांकता हुआ ब्रेकडाउन (TDDB)

इसके अलावा ऑक्साइड ब्रेकडाउन के रूप में जाना जाता है, टीडीडीबी एक ट्रांजिस्टर के जीवनकाल को सीमित करता है। उच्च-के स्टैक में, ब्रेकडाउन उच्च-के और अंतरफेशियल परतों दोनों में परोस्फीति पथ के गठन के माध्यम से होता है। सांख्यिकीय मॉडल जैसे कि वेबुल वितरण का उपयोग विफलता दरों की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है, और प्रक्रिया में सुधार - जैसे दोहरी परत के मोटाई अनुपात को अनुकूलित करना - विस्तारित विश्वसनीयता मार्जिन है।

भविष्य निर्देश: परे पारंपरिक उच्च कश्मीर

फेरोइलेक्ट्रिक HfO2 और नकारात्मक समाई

2010 के दशक में एक अप्रत्याशित खोज यह थी कि HfO2 (orthorhombic) के कुछ क्रिस्टलीय चरण ferroelectricity प्रदर्शित करते हैं। यह नकारात्मक समाई ट्रांजिस्टर के दरवाजे को खोलता है, जहां फेरोइलेक्ट्रिक स्विचिंग गेट वोल्टेज को बढ़ा सकती है और उप-60 mV / दशक की स्विचिंग (बोल्टज़मैन सीमा) को सक्षम कर सकती है। फेरोइलेक्ट्रिक HfO2 पहले से ही फेरोइलेक्ट्रिक यादृच्छिक-एक्सेस मेमोरी (FeRAM) प्रोटोटाइप में उपयोग किया जाता है, और तर्क अनुप्रयोगों को सक्रिय रूप से पता लगाया जा रहा है।

2D सामग्री पर उच्च-k

मोस 2 और WSe2 जैसे दो आयामी अर्धचालक अंतिम चैनल की पतलीता (एक परमाणु परत) की पेशकश करते हैं और वादा सिलिकॉन की सीमाओं से परे स्केलिंग जारी रखते हैं। हालांकि, नाजुक परत को नुकसान पहुंचाए बिना 2D सतह पर उच्च-k ढांकता हुआ जमा करना या बहुत अधिक इंटरफ़ेस जाल बनाना एक चुनौती बनी हुई है। बीज वाले एएलडी और आणविक परत जमावट (एमएलडी) का उपयोग करके हाल के काम प्रगति को दर्शाता है, और उच्च-k इन्सुलेटर गेट के साथ 2D चैनलों का संयोजन किसी अन्य दशक के लिए मूर के कानून का विस्तार कर सकता है।

वैकल्पिक उच्च-k उम्मीदवारों

LaLuO3, AlScN, और BaTiO3 जैसी सामग्री उनके अति-उच्च अनुमतियों या उपन्यास गुणों की जांच में हैं। तर्क के लिए, प्राथमिक लक्ष्य स्वीकार्य सीमाओं के भीतर रिसाव को बनाए रखते हुए 0.5 एनएम से नीचे EOT को धक्का देना है। इसके लिए न केवल उच्च k] की आवश्यकता है, बल्कि एक पर्याप्त बड़े बैंड अंतराल (>5 ईवी) और CMOS थर्मल बजट के साथ संगतता भी है।

निष्कर्ष

उच्च-k ढांकता हुआ केवल एक वृद्धिशील सुधार नहीं है; वे आधुनिक अर्धचालक प्रौद्योगिकी का एक मूलभूत सक्षम हैं। हेफनियम डाइऑक्साइड और zirconium डाइऑक्साइड जैसी सामग्रियों के साथ SiO2 को बदलकर उद्योग रिसाव को नियंत्रित करते समय ट्रांजिस्टर को सिकुड़ने और प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए जारी रहता है। धातु के फाटकों के साथ उच्च-k ढांकता हुआ ढांकता हुआ इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए 45 एनएम से लेकर उप-3 एनएम तक की समीक्षा [Fe] के लिए व्यापक रूप से पढ़ने के लिए [F]