В полупроводниковой промышленности термин high-κ dielectric относится к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью (κ, каппа ) по сравнению с диоксидом кремния . High-κ dielectrics используются в процессах производства полупроводников , где они обычно используются для замены затворного диэлектрика диоксида кремния или другого диэлектрического слоя устройства. Внедрение high-κ gate dielectrics является одной из нескольких стратегий, разработанных для обеспечения дальнейшей миниатюризации микроэлектронных компонентов, в разговорной речи называемой расширением закона Мура .
Иногда эти материалы называют «high-k» (произносится как «хай кэй»), а не «high-κ» (высокая каппа).
Диоксид кремния ( SiO2 ) использовался в качестве оксидного материала затвора в течение десятилетий. Поскольку полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник ( MOSFET) уменьшались в размерах, толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния неуклонно уменьшалась, чтобы увеличить емкость затвора (на единицу площади) и, таким образом, ток возбуждения (на ширину устройства), повышая производительность устройства. Когда толщина масштабируется ниже 2 нм , токи утечки из-за туннелирования резко возрастают, что приводит к высокому энергопотреблению и снижению надежности устройства. Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния на материал с высоким κ позволяет увеличить толщину затвора, тем самым уменьшая емкость затвора без связанных с этим эффектов утечки.
Оксид затвора в МОП-транзисторе можно смоделировать как плоский конденсатор. Игнорируя квантово-механические и обеднительные эффекты от подложки и затвора Si , емкость C этого плоского конденсатора определяется как
где
Поскольку ограничение утечки сдерживает дальнейшее снижение t , альтернативным методом увеличения емкости затвора является изменение κ путем замены диоксида кремния на материал с высоким κ. В таком сценарии можно использовать более толстый слой оксида затвора, что может уменьшить ток утечки , протекающий через структуру, а также повысить надежность диэлектрика затвора .
Ток стока I D для МОП-транзистора можно записать (используя приближение постепенного канала) как
где
Термин V G − V th ограничен в диапазоне из-за ограничений надежности и работы при комнатной температуре, поскольку слишком большое V G создало бы нежелательное, высокое электрическое поле через оксид. Кроме того, V th не может быть легко уменьшено ниже примерно 200 мВ, поскольку токи утечки из-за увеличенной утечки оксида (то есть, предполагая, что диэлектрики с высоким κ недоступны) и подпороговой проводимости повышают потребление энергии в режиме ожидания до неприемлемых уровней. (См. дорожную карту отрасли [1], которая ограничивает порог 200 мВ, и Рой и др. [2] ). Таким образом, согласно этому упрощенному списку факторов, увеличенный I D,sat требует уменьшения длины канала или увеличения диэлектрической емкости затвора.
Замена диэлектрика затвора из диоксида кремния другим материалом усложняет производственный процесс. Диоксид кремния может быть образован путем окисления лежащего в основе кремния, что обеспечивает однородный, конформный оксид и высокое качество интерфейса. Как следствие, усилия по разработке были сосредоточены на поиске материала с необходимой высокой диэлектрической проницаемостью, который можно легко интегрировать в производственный процесс. Другие ключевые соображения включают выравнивание зон по отношению к кремнию (что может изменить ток утечки), морфологию пленки, термическую стабильность, поддержание высокой подвижности носителей заряда в канале и минимизацию электрических дефектов в пленке/интерфейсе. Материалы, которым было уделено значительное внимание, — это силикат гафния , силикат циркония , диоксид гафния и диоксид циркония , обычно наносимые методом атомно-слоевого осаждения .
Ожидается, что дефектные состояния в диэлектрике с высоким κ могут влиять на его электрические свойства. Дефектные состояния можно измерить, например, с помощью термостимулированного тока с нулевым смещением, спектроскопии термостимулированного тока с нулевым градиентом температуры и нулевым смещением [3] [ 4] или неупругой электронной туннельной спектроскопии (IETS).
Промышленность использует оксинитридные затворные диэлектрики с 1990-х годов, в которых диэлектрик из оксида кремния, сформированный традиционным способом, пропитывается небольшим количеством азота. Содержание нитрида слегка повышает диэлектрическую проницаемость и, как полагают, обеспечивает другие преимущества, такие как сопротивление диффузии легирующей примеси через затворный диэлектрик.
В 2000 году Гуртедж Сингх Сандху и Трунг Т. Доан из Micron Technology инициировали разработку пленок с высоким содержанием κ для устройств памяти DRAM . Это помогло стимулировать экономически эффективное внедрение полупроводниковой памяти , начиная с 90-нм узла DRAM. [5] [6]
В начале 2007 года Intel объявила о развертывании диэлектриков с высокой κ на основе гафния в сочетании с металлическим затвором для компонентов, созданных по 45-нанометровым технологиям, и поставила их в серию процессоров 2007 года под кодовым названием Penryn . [7] [8] В то же время IBM объявила о планах перехода на материалы с высокой κ, также на основе гафния, для некоторых продуктов в 2008 году. Хотя это и не было идентифицировано, наиболее вероятным диэлектриком, используемым в таких приложениях, является некоторая форма нитридных силикатов гафния ( HfSiON ). HfO2 и HfSiO2 подвержены кристаллизации во время активационного отжига легирующей примеси. NEC Electronics также объявила об использовании диэлектрика HfSiON в своей 55-нм технологии UltimateLowPower . [9] Однако даже HfSiON подвержен токам утечки, связанным с ловушками, которые имеют тенденцию увеличиваться с напряжением в течение срока службы устройства. Этот эффект утечки становится более серьезным по мере увеличения концентрации гафния. Однако нет никаких гарантий, что гафний послужит фактической основой для будущих high-κ диэлектриков. Дорожная карта ITRS 2006 года предсказывала, что внедрение high-κ материалов станет обычным явлением в промышленности к 2010 году.
