トランジスタの小型化のためのオニッシングクエスト

半導体業界は、これまで以上に小型化した領域に、より多くのコンピューティングパワーをパックするために、トランジスタの寸法を縮小し、Moleの法則を追従してきました。この再レントレススケーリングは、現代の生活を定義するスマートフォン、クラウドサーバー、AIアクセラレータを有効にしました。しかし、トランジスタゲートの長さが原子スケールに近づくにつれて、従来のシリコン二酸化物(SiO2)ゲート誘電は、重要なボトルネックを伴います。SiO Si2は、原子が、原子排出物が少ないと、高分子量を低減するような、電気の抵抗を低減するような、高い特性を低減します。

なぜトランジスタの誘電体マット

静電容量とゲートスタック

メタ酸化物半導体分野に影響するトランジスタ(MOSFET)では、ゲートスタックは、絶縁層により、半導体から分離された金属電極(または重くドープされたポリシリコン)から、ゲート誘電体である。ゲートは、コンデンサとして機能する:シリコンの下にある導電チャネルを注入する。チャネルチャージを調節する能力は、ゲートのキャパシタンスに直接比例して、KAT(LTF)は、LTF(LTF)とKF(LTF)を、KF)[F]F]を、(LTF)、(LTF)、(LTF)、(F)、(F)、(F)、(F)[F)、(F)、(F)、(F)[F)、([F)、(F)、(F)、([F)、([F)、([F)、([F)、([F)、([F)、])、([F)、([F)])、([F)、([F)、([F)、[F)])、[F)、[F

漏出問題

SiO2の厚さが下で落ちるとき~1.5ナノメートル、直接トンネルを掘る流れは、容認できないほど高いです。トランジスタが消える、力を無駄にし、熱を発生させる場合でも、電子は絶縁体を交差させることができます。業界は、より高い[k]の材料を見つけるために、物理的に厚いフィルムは、同じ同等な酸化物の厚さ(EOT)をUltrathin SiOT2(K)として供給することができ、電気ショックを低減させます。

一般的な高k誘電体とその特性

主要材料

チタンの耐圧特性は、CMOS ロジックにおいて最も広く採用された高-k 素材は、約 20-25 の誘電率で、SiO2 の 3.9 と比較して、ヘフニウムの二酸化物 (ZrO2、 ]]k]])、酸化アルミニウム (Al2O3、 K[FLT]]: および [FLT] は、 の変速力 (LT: [FLT] は、 の2] および [FLT] は、 の2] の および [FLT] は、 の は、 の の の の の の の は、 は、 の の の の の の の は、 は、 の は、 は、 の の の の の の の は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、 は、

なぜより厚い低k材料を使用しないのですか?

低k誘電体が漏れを減らすために厚くなっている場合、静電容量低下、トランジスタは急速に切り替える能力を失います。高k材料は、トンネルを抑制しながら、静電容量を維持することにより、この希釈剤を解決します。同様に重要な、多くの高k誘電体は原子層堆積(ALD)を使用して堆積し、原子レベルの厚さ制御と複雑な三次元トランジスタ構造上の優れた適合性を提供する技術であるFin-GA-Fin-Aラウンド(Fin-GA)やFin-GA-Fin-GA)など。

統合課題:メタルゲートとインターフェイス

ポンとチャージトラップの問題

SiO2を高k誘電体で置き換えることは、単純に低下‐イン置換ではありません。 High-k材料は、多くの場合、低エネルギーバンドギャップとシリコンとのインターフェースでトラップ状態の高密度を持っています。 これらのトラップは、閾値電圧シフト、キャリアのモビリティの低減、バイアス温度の不安定性(BTI)や時間依存の誘電破壊(TDDB)などの信頼性の問題を引き起こし、充電キャリアをキャプチャすることができます。 これらのトラップは、これらのインダクタンス電圧シフト、低負荷キャリア - および、および、バイアス温度の不安定性(BTI)などの信頼性の問題、および時間に依存する誘電破壊(TDDB)を低減します。 シリコンは、または高濃度の層は、または高濃度の低下を低減します。

作業機能 工学および金属ゲート

ポリシリコンゲートは、Fermi レベルのピン留めと性能を劣化させる欠陥の影響で、多くの高 K 素材と互換性がありません。この業界は、金属門に調整可能な作業機能で切り替えることで解決しました。n 型および p 型MOSFET 用、異なる金属(例えば、nFET 用 TiAl、mN または pFET 用 TiN)は、正しいしきい電圧を設定するために選択されます。高板金/ MG は、2007 年に、すべての nm の高度な金属 (MG) を、すべての nm で導入しました。

製造技術

原子層堆積(ALD)

ALDは、自己の制限面反応に依存しているため、高k誘電体を堆積させるための好まれな方法です。 HfO2の典型的なサイクルは、テトラキ(ジメチルアミド)のハフニウムおよび水蒸気の代替曝露を使用しています。 この結果、300 mmウェーハと深く引込められた機能の内側に均一性のあるフィルムを収受します。 ALDは、膜組成の正確な制御を可能にし、結束または多層(HLTF)を最適化することを可能にします。 [F] [F] [F] [F] [F] および [F] [F] [F] [F]] [F]]

投稿‐ 投稿‐ 投稿‐ 投稿‐ 投稿のアニール

ALD の後、高温アニールステップ (通常、N2 やガス成形のような不活性で) フィルムを解体し、欠陥密度を削減し、結晶性を改善するために使用されます。 HfO2 の結晶相は、その許性に強く影響します。モノクラインフェーズ (堆積後に一般的な) tetragonal または cube が 30[FLT] を強制的に低下させることができるが、 [FLT] または [FLT] は、または [FLT] を強制的に低下させることができる [FLT] または [F] または [FLT] または [F] 層が、または [F] または [F] を強制的に低下させることができる [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [FLT または [F] または [F] または [FLT または [F] または [F] または [F] または [F] または [FLT

信頼性・劣化メカニズム

バイアス温度安定性(BTI)

長期ゲート電圧の圧力の下で、高-k層に荷を積む充満はしきい値の電圧の段階的なシフトを引き起こします。これは特にマイナスの偏差(NBTI)の下のpMOS装置のために厳しいです。SiO2の相対的なHfO2の既存のトラップの高密度はBTIに重大な心配を作ります。研究者はトラップ密度を減らすために酸素の流出の技術そして窒素の組み込むことを調査しています。

タイム・デペンデント誘電体内分岐(TDDB)

また、酸化物分解物として知られるTDDBは、トランジスタの寿命を制限します。ハイククスタックでは、分解は、高-kおよび対面レイヤーの両方のパーコレーションパスの形成を進めます。 Weibull分布などの統計モデルは、故障率を予測し、プロセス改善を処理します。例えば、デュアルレイヤーの厚さ比を最適化するなど、拡張された信頼性マージンです。

未来の方向: 慣習的なハイクを超えて

焦電HfO2および負のキャパシタンス

2010年代の予期しない発見は、HfO2(orthorhombic)の特定の結晶相が、その熱電性を示すことでした。これは、マイナスの静電トランジスタへの扉を開け、フェロ電気切換がゲート電圧を増幅し、サブ60 mV/デカド切替(ボルツマン限界)を有効にすることができる。フェロエレ電気HFFO2は、既にフェロエレクターのランダムアクセスメモリ(FeRAM)で使用され、応用が活発に探索されている。

2D材料のハイクk

MoS2やWSe2などの2次元半導体は、究極のチャネルの薄さ(1原子層)を提供し、シリコンの限界を超えた継続的なスケールリングを約束します。しかしながら、脆弱な層を傷つけたり、あまりにも多くのインターフェイストラップを作成せずに2D面に高k誘電を堆積させると、課題が残っています。シードALDと分子層堆積(MLD)を使用して、最近の作業は進行状況を示し、高-k門と2Dチャネルの組み合わせは、別のMosrecadesreの拡張にすることができます。

代替高kの候補者

LaLuO3、AlScN、BaTiO3などの材料は、超高度の許認可または新規特性の調査下にあります。 論理のために、第一次目標は許容限度の範囲内の漏れを保ちながら0.5nm未満のEOTをプッシュすることです。 これは、高い[k[]だけでなく、CMOS熱予算と十分な大型バンドギャップ(>5 eV)と互換性が必要です。

コンテンツ

高周波誘電体は、単なる増分化ではなく、現代の半導体技術の根本的な有効化装置です。二酸化ヘフニウムや二酸化ジルコニウムなどの材料にSiO2を交換することにより、業界は漏れをコントロールし、性能を維持しながらトランジスタを縮小し続けています。高‐k誘電体の成功は、45nmからサブ-3nmまでの高度な論理ノードの角質化になります。業界は、LTKの制御と高-KFの導電体を継続して、HKF-KF-KF-Kの導電体は、高-KF-KF-KF-KF-KF-KF-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-K-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H-H