Текущий поиск миниатюризации транзистора

В течение десятилетий полупроводниковая промышленность следовала закону Мура, уменьшая размеры транзисторов, чтобы упаковать больше вычислительной мощности во все меньшие области. Это неустанное масштабирование позволило смартфонам, облачным серверам и ускорителям ИИ, которые определяют современную жизнь. Однако, поскольку длины транзисторных затворов приближаются к атомному масштабу, традиционный диэлектрик затвора диоксида кремния (SiO2) - как только золотой стандарт - становится критическим узким местом. Когда слои SiO2 истончаются до нескольких атомов, квантово-механическое туннелирование вызывает чрезмерный ток утечки затвора, увеличивая рассеивание мощности и ухудшая производительность устройства. Высокая пропускная способность (high-k) диэлектрические материалы появились в качестве существенной замены, позволяя продолжать масштабирование без ущерба для электрической целостности. Эта статья исследует физику диэлектриков в транзисторах, свойства материалов с высоким k, их интеграцию в производство и направления исследований, которые определят будущие полупроводниковые узлы.

Почему диэлектрики имеют значение в транзисторах

Вместимость и стек ворот

В полупроводниковом транзисторе с эффектом поля металл-оксид-полупроводник (MOSFET) стек затвора состоит из металлического электрода (или сильно легированного поли-кремниевого кремния), отделенного от полупроводникового канала изолирующим слоем — затворного диэлектрика. Затвор действует как конденсатор: прикладывание напряжения индуцирует проводящий канал в кремнии под ним. Способность модулировать заряд канала прямо пропорциональна емкости затвора на единицу площади, которая для конденсатора с параллельной пластиной является C = k × ε0 / t , где k является диэлектрической постоянной (относительная проницаемость) изолятора, ε0 является вакуумной проницаемостью, и t является физической толщиной. Для поддержания достаточной емкости,

Проблема утечки

Когда толщина SiO2 опускается ниже ~ 1,5 нанометров, прямые токи туннелирования становятся неприемлемо высокими. Электроны могут пересекать изолятор даже тогда, когда транзистор должен быть выключен, теряя мощность и генерируя тепло. Ответом отрасли было найти материал с более высоким значением k , чтобы физически более толстая пленка могла обеспечить такую же эквивалентную толщину оксида (EOT) как ультратонкий слой SiO2. EOT определяется как t(SiO2) = t(high-k) × k(SiO2) / k(high-k) . Использование диэлектрика с высоким k позволяет производителю утроить или увеличить физическую толщину, сохраняя при этом электрическую туннельную утечку.

Распространенные диэлектрики High-K и их свойства

Ключевые материалы

Наиболее широко используемый материал с высоким содержанием k в современной логике CMOS - это диоксид гафния (HfO2) с диэлектрической постоянной около 20-25, по сравнению с 3,9 для SiO2. Другие известные кандидаты включают диоксид циркония (ZrO2, ]k ≈ 25-30), оксид алюминия (Al2O3, k k ≈ 27). Для конденсаторов DRAM используются перовскиты на основе титана-стронция, такие как SrTiO3 k > 100), хотя они менее распространены в логических транзисторах из-за трудностей интеграции. Каждый материал предлагает компромисс между высоким k , разрывом в полосе (который влияет на утечку и устойчивость к напряжению) и термической стабильностью во время обработки CMOS.

Почему бы просто не использовать более толстый материал?

Если диэлектрик с низким К становится толще для уменьшения утечки, емкость падает, и транзистор теряет способность быстро переключаться. Материалы с высоким К решают эту дилемму, сохраняя емкость при подавлении туннелирования. Не менее важно, что многие диэлектрики с высоким К осаждаются с использованием атомного осаждения слоя (ALD), техника, которая обеспечивает контроль толщины на атомном уровне и отличную конформность по сложным трехмерным транзисторным структурам, таким как FinFET и нанолисты с затвором.

Проблемы интеграции: металлические ворота и интерфейсы

Проблема с ловушкой пофононов и зарядов

Замена SiO2 диэлектриком с высоким k не является простой заменой. Материалы с высоким k часто имеют более низкий разрыв полосы энергии и более высокую плотность состояний ловушки на интерфейсе с кремнием. Эти ловушки могут захватывать носители заряда, вызывая сдвиги порогового напряжения, снижение мобильности несущей и проблемы надежности, такие как неустойчивость температуры смещения (BTI) и зависящий от времени диэлектрический полом (TDDB). Чтобы смягчить эти эффекты, производители обычно вставляют ультратонкий межфазный слой (часто SiO2 или SiON, ~0,5-1 нм) между пленкой с высоким k и кремниевым каналом. Этот «двойной диэлектрический» стек поддерживает высококачественный интерфейс, извлекая выгоду из большой массы k.

Инженерные функции и металлические ворота

Полисиликоновые затворы несовместимы со многими материалами высокого кабеля из-за эффектов закалки и истощения уровня Ферми, которые ухудшают производительность. Промышленность решила это путем перехода на металлические затворы с настраиваемыми рабочими функциями. Для MOSFET n-типа и p-типа выбираются различные металлы (например, TiAl для nFET, MoN или TiN для pFET) для установки правильных пороговых напряжений. Стек высокок/металлических затворов (HKMG), введенный Intel в 2007 году на узле 45 нм, стал стандартом для всех передовых логических процессов.

Методы производства

Атомное осаждение слоя (ALD)

ALD является предпочтительным методом для нанесения диэлектриков с высоким К, поскольку он опирается на самоограничивающие поверхностные реакции. Типичный цикл для HfO2 использует чередующиеся воздействия тетракиса (диметиламидо)хафния и водяного пара. Это дает пленку с однородностью через 300-мм пластину и внутри глубоко утопленных признаков. ALD также позволяет точно контролировать состав пленки, позволяя оптимизировать k и надежность.

Отжига после депозиционирования

После ALD используется высокотемпературный этап отжига (обычно в инертной среде, такой как N2 или образующий газ), чтобы уплотнить пленку, уменьшить плотность дефектов и улучшить кристалличность. Кристаллическая фаза HfO2 сильно влияет на ее проницаемость: моноклиническая фаза (общая после осаждения) имеет k ≈ 17, в то время как тетрагональная или кубическая фазы могут достигать k > 30. Контролируемое отжиг может способствовать желаемой фазе, но чрезмерный тепловой бюджет может ухудшить межфазный слой или вызвать диффузию допанта.

Механизмы надежности и деградации

Нестабильность температуры (BTI)

При длительном напряжении напряжения затвора улавливание заряда в слое высокого К вызывает постепенное смещение порогового напряжения. Это особенно тяжело для устройств PMOS при отрицательном смещении (NBTI). Высокая плотность ранее существовавших ловушек в HfO2 относительно SiO2 делает BTI критической проблемой. Исследователи изучают методы поглощения кислорода и включения азота для снижения плотности ловушки.

Диэлектрический разлом, зависящий от времени (TDDB)

Также известный как распад оксида, TDDB ограничивает срок службы транзистора. В стеках с высоким K пробой протекает через образование путей перколяции как в слоях с высоким K, так и в межфазных слоях. Статистические модели, такие как распределение Weibull, используются для прогнозирования частоты отказов, а улучшения процессов, такие как оптимизация отношения толщины двойного слоя, имеют расширенные пределы надежности.

Оригинальное название: Beyond Conventional High-K

Ферроэлектрический HfO2 и отрицательная емкость

Неожиданным открытием в 2010-х годах стало то, что некоторые кристаллические фазы HfO2 (орторгомбические) демонстрируют сегнетоэлектричество. Это открывает дверь для транзисторов с отрицательной емкостью, где сегнетоэлектрическое переключение может усиливать напряжение затвора и обеспечивать переключение на 60 мВ/десятилетие (предел Больцмана). Ферроэлектрический HfO2 уже используется в прототипах сегнетоэлектрической памяти с случайным доступом (FeRAM), и активно изучаются логические приложения.

High-k на 2D-материалах

Двумерные полупроводники, такие как MoS2 и WSe2, предлагают максимальную тонкость канала (один атомный слой) и обещают дальнейшее масштабирование за пределы кремния. Однако нанесение диэлектрика с высоким К на 2D поверхность без повреждения хрупкого слоя или создания слишком большого количества ловушек интерфейса остается проблемой. Недавние работы с использованием засеянного ALD и молекулярно-слойного осаждения (MLD) показывают прогресс, и комбинация 2D-каналов с изоляторами с высоким К может продлить закон Мура еще на десятилетие.

Альтернативные кандидаты High-K

Такие материалы, как LaLuO3, AlScN и BaTiO3, находятся под следствием из-за их сверхвысоких разрешимостей или новых свойств. Для логики основной целью является подтолкнуть EOT ниже 0,5 нм, сохраняя при этом утечку в приемлемых пределах. Это требует не только высокого k , но и достаточно большого разрыва в полосе (>5 эВ) и совместимости с тепловыми бюджетами CMOS.

Заключение

Высоко-k диэлектрики не просто постепенное улучшение; они являются фундаментальным фактором современной полупроводниковой технологии. Заменяя SiO2 материалами, такими как диоксид гафния и диоксид циркония, промышленность продолжает сокращать транзисторы, контролируя утечку и поддерживая производительность. Успешная интеграция высоко-k диэлектриков с металлическими затворами стала краеугольным камнем каждого продвинутого логического узла с 45 нм до эры суб-3 нм. Поскольку промышленность продвигается к затворным транзисторам и исследует 2D-каналы, физика и инженерия высоко-k изоляторов останутся оживленной областью исследований. Для дальнейшего чтения см. Введение HKMG в 45 нм , всеобъемлющий обзор в Природные обзоры материалов на диэлектриках высокого-k и обсуждение сегнетоэлектрических HfO2 в IEEE Транзакции на электронных устройствах [