Căutarea continuă pentru miniaturizarea tranzistorilor

De zeci de ani, industria semiconductorilor a urmat Legea Moore . Cu toate acestea, pe măsură ce lungimile porților tranzistor se apropie de scara atomică, dioxidul de siliciu tradițional (SiO2) poarta de siliciu (SiO2) poarta de înaltă densitate a gardului de aur este un blockleck critic. Când straturile SiO2 sunt subțiate la doar câțiva atomi, tunelarea cuantică cauzează scurgeri excesive de porți, disiparea tot mai mare și performanța dispozitivului degradant. High-permittivitatea (high-k) materialele dielectrice au apărut ca înlocuirea esențială, permițând scalarea continuă fără a sacrifica integritatea electrică. Acest articol explorează fizica dielectricelor în transistorii, proprietățile materialelor de înaltă calitate, integrarea lor în procesul de fabricație și direcțiile de cercetare care vor defini viitoarele noduri semiconductoare.

De ce dielectrica conteaza in tranzistori

Capacitate și stiva porții

Într-un tranzistor metal-oxid-semiconductor (MOSFET), stiva poartă constă dintr-un electrod metalic (sau poli-siliciu puternic dopat) separat de canalul semiconductoarelor prin intermediul unui strat de acoperire a grosimii. Poarta acționează ca un condensator: aplicarea unei tensiuni induce un canal conductor în siliciu dedesubt. Abilitatea de a modula sarcina canalului este direct proporțională cu capacitatea porții pe unitate, care pentru un condensator paralel cu placa este C = k × ε0 / t, unde kk este constanta dielectrică (permisivitate relativă) a insulatorului, :ε0 este permisivitatea istorică [FLT:[FLT]t[FLT:]]] este grosimea fizică. Pentru a menține capacitatea suficientă ca transistantrii, inginerii [T] este subțire [T]

Problema scurgerii

Când grosimea SiO2 scade sub ~1.5 nanometri, curenţii de tunel direct devin inacceptabil de mari. Electronii pot traversa izolatorul chiar şi atunci când tranzistorul se presupune că este oprit, irosind puterea şi generând căldură. Răspunsul industriei a fost de a găsi un material cu un k[k[ valoare, astfel încât un film mai gros fizic ar putea furniza aceeaşi grosime echivalentă de oxid (EOT) ca un strat de ultrafină SiO2. EOT este definit ca t(SiO2) = t(high-k) × k(SiO2) / k[high-k]. Folosind un dielectric de înaltă viteză permite unui producător triplu sau cvadruplu grosimea fizică în timp ce păstrează aceeaşi capacitate electrică, reducând dramatic scurgerile de tunel.

Dielectrica comuna de mare-k si proprietatile lor

Materiale cheie

Cel mai larg material de înaltă calitate adoptat în logica modernă a OCPS este dioxidul de hafniu (HfO2), cu o constantă dielectrică de aproximativ 20

De ce nu folosiţi un material mai gros de K?

Dacă un dielectric de joasă viteză este făcut mai gros pentru a reduce scurgerile, capacitanța scade, iar tranzistorul își pierde capacitatea de a comuta rapid. Materialele de înaltă calitate rezolvă această dilemă prin păstrarea capacitării în timp ce suprimarea tunelelor. La fel de importante, multe dielectrice de înaltă K sunt depuse folosind depuneri de straturi atomice (ALD), o tehnică care asigură controlul grosimii la nivel atomic și o conformitate excelentă asupra structurilor transistore complexe tridimensionale, cum ar fi FinFET-uri și nanofolete de protecție (GAA).

Provocări legate de integrare: porți metalice și interfețe

Problema capcanei cu Phonon şi a taxelor

Înlocuirea SiO2 cu un dielectric de înaltă K nu este o simplă înlocuire. Materialele de înaltă tensiune au adesea un decalaj mai mic al benzii de energie și o densitate mai mare a starilor de capcane la interfața cu siliciu. Aceste capcane pot captura purtători de sarcină, cauzând schimbări de tensiune ale pragului, mobilitate redusă a transportatorului și probleme de fiabilitate, cum ar fi instabilitatea temperaturii prejudiciare (BTI) și defalcarea dielectrică dependentă de timp (TDDB). Pentru a atenua aceste efecte, producătorii introduc de obicei un strat interfacial ultrafin (deseori SiO2 sau SiON, ~0.51 nm) între filmul de înaltă calitate și canalul de siliciu. Acest stive dual de tip rampă menține o interfață de înaltă calitate, beneficiind în același timp de pe piața mare.

Ingineria funcţiei de lucru şi porţile metalice

Porţile polisiliciu sunt incompatibile cu multe materiale de înaltă calitate, datorită efectelor de fixare şi de depleţie Fermi care degradează performanţa. Industria a rezolvat acest lucru prin trecerea la porţi metalice cu funcţii de lucru tonible. Pentru N-tip şi p-tip MOSFET, metale diferite (de exemplu, TiAl pentru nFET, MoN sau TiN pentru pFET) sunt selectate pentru a stabili tensiunile limită corecte. Stack-ul de înaltă-k / metal (HKMG), introdus de Intel în 2007 la 45 nm nod, a devenit standardul pentru toate procesele logice avansate.

Tehnici de fabricație

Depunere în straturi atomice (ADA)

ALD este metoda preferată pentru depunerea dielectricelor de mare k, deoarece se bazează pe reacții de suprafață autolimitante. Un ciclu tipic pentru HfO2 utilizează expuneri alternative de tetrakis (dimetilamido) hafniu și vapori de apă. Aceasta produce un film cu uniformitate pe o vafă de 300 mm și în interiorul unor caracteristici profund resetate. ALD permite, de asemenea, controlul precis al compoziției filmului, permițând formarea de oxizi ternari sau mai mulți straturi (de exemplu, HfZrO4) pentru a optimiza k și fiabilitate.

Annalierea post-depoziţiei

După ALD, se utilizează o etapă de anesteziere la temperatură ridicată (de obicei într-un ambient inert precum N2 sau un gaz de formare) pentru densificarea filmului, reducerea densităţilor defecte şi îmbunătăţirea cristalităţii. Faza cristalică a HfO2 influenţează puternic autorizaţia sa: faza monoclinică (frecventă după depunere) k

Mecanisme de fiabilitate și de degradare

Instabilitatea temperaturii la biași (BTI)

Sub stresul prelungit al tensiunii portii, fixarea incarcaturii in stratul de mare k cauzeaza o schimbare graduala a tensiunii prag. Acest lucru este deosebit de sever pentru dispozitivele PMOS sub prejudecata negativa (NBTI). Densitatea mare a capcanelor pre-existente in HfO2 comparativ cu SiO2 face ca ICT sa fie o preocupare critica. Cercetatorii investigheaza tehnicile de scavenging oxigen si încorporarea azotului pentru a reduce densitatea capcanei.

Defalcări dielectrice cu durată de timp dependentă (TDDB)

De asemenea, cunoscut sub numele de defalcare oxid, TDDB limitează durata de viață a unui tranzistor. În stive de mare-k, defalcarea se realizează prin formarea de căi de percolare atât în straturile de înaltă-k și interfaciale. Modelele statistice, cum ar fi distribuția Weibull sunt utilizate pentru a prezice ratele de eșec, și îmbunătățiri ale procesului, cum ar fi optimizarea raportului de grosime a stratului dublu au marje extinse de fiabilitate.

Direcţii viitoare: dincolo de convenţional ridicat-k

HfO2 feroelectric și capacitate negativă

O descoperire neașteptată în anii 2010 a fost că anumite faze cristaline ale HfO2 (ortocromic) prezintă feroelectricitate. Aceasta deschide ușa la tranzistoare de capacitate negativă, unde comutația feroelectrică poate amplifica tensiunea porții și permite comutarea sub-60 mV/decade (limita Boltzmann). HfO2 feroelectric este deja utilizat în prototipuri feroelectrice de memorie aleatoare-acces (FeRAM), iar aplicațiile logice sunt explorate activ.

High-k pe materiale 2D

Semiconductorii bidimensionale, cum ar fi MoS2 și WSe2 oferă subtire canal final (un strat atomic) și promit scalarea continuă dincolo de limitele de siliciu. Cu toate acestea, depunerea unui dielectric de înaltă-k pe o suprafață 2D fără a deteriora stratul fragil sau crearea prea multe capcane de interfață rămâne o provocare. Lucrările recente folosind însămânțat ALD și depunerea molecular-strat (MLD) arată progrese, și combinarea de canale 2D cu hrean poarta mare ar putea extinde Moore până la un alt deceniu.

Candidați alternativi de mare k

Materiale precum LaLuO3, AlScN și BaTiO3 sunt în curs de investigare pentru permisele lor ultra-înalte sau proprietățile lor noi. Pentru logică, scopul principal este de a împinge EOT sub 0,5 nm, păstrând în același timp scurgerile în limite acceptabile. Aceasta necesită nu numai mari k, ci și un decalaj suficient de mare de bandă (>5 eV) și compatibilitatea cu bugetele termice ale OCPS.

Concluzie

Electrocentrale: Electrocentrale: Electrocentrale de analiză și de control al energiei electrice și al energiei electrice.Introducerea de informații despre HKMG la 45 nm și discuțiile de la HFO2 în ::]Ei au continuat să fie integrate în domeniul electronic al energiei electrice.