В полупроводниковой промышленности термин « диэлектрик с высоким κ» относится к материалу с высокой диэлектрической постоянной (κ, каппа ) по сравнению с диоксидом кремния . Диэлектрики с высоким κ используются в процессах производства полупроводников , где они обычно используются для замены диэлектрика затвора из диоксида кремния или другого диэлектрического слоя устройства. Внедрение диэлектриков затвора с высоким κ является одной из нескольких стратегий, разработанных для обеспечения дальнейшей миниатюризации микроэлектронных компонентов, что в просторечии называется расширением закона Мура . Иногда эти материалы называют «хай-к» (произносится «хай-кей»), а не «хай-к» (высокая каппа).
Диоксид кремния ( SiO 2 ) использовался в качестве материала затворного оксида на протяжении десятилетий. Поскольку полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) уменьшились в размерах, толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния постоянно уменьшалась, чтобы увеличить емкость затвора (на единицу площади) и тем самым управлять током (на ширину устройства), увеличивая производительность устройства. Когда толщина становится меньше 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 емкость затвора без связанных с этим эффектов утечки.
Оксид затвора в МОП-транзисторе можно смоделировать как конденсатор с параллельными пластинами. Если не учитывать квантово-механические эффекты и эффекты истощения кремниевой подложки и затвора, емкость C этого конденсатора с параллельными пластинами определяется выражением
где
Поскольку ограничение утечки сдерживает дальнейшее снижение t , альтернативным методом увеличения емкости затвора является изменение κ путем замены диоксида кремния материалом с высоким κ. В таком сценарии можно использовать более толстый оксидный слой затвора, который может уменьшить ток утечки, протекающий через структуру, а также повысить диэлектрическую надежность затвора .
Ток стока I D для МОП-транзистора можно записать (используя приближение постепенного канала) как
где
Диапазон значений V G - V th ограничен из-за ограничений надежности и эксплуатации при комнатной температуре, поскольку слишком большое значение V G создаст нежелательное сильное электрическое поле на оксиде. Кроме того, Vth нелегко снизить ниже примерно 200 мВ, поскольку токи утечки из-за повышенной утечки оксидов (то есть при условии отсутствия диэлектриков с высоким κ) и подпороговой проводимости повышают энергопотребление в режиме ожидания до неприемлемого уровня. (См. отраслевую дорожную карту [1] , которая ограничивает порог до 200 мВ, а также Roy et al. [2] ). Таким образом, согласно этому упрощенному списку факторов, увеличение 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 основного кремния, обеспечивая однородный конформный оксид и высокое качество интерфейса. Как следствие, усилия по разработке были сосредоточены на поиске материала с необходимой высокой диэлектрической проницаемостью, который можно было бы 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. Материалами, которым уделяется значительное внимание, являются силикат гафния , силикат циркония , диоксид гафния и диоксид циркония , обычно наносимые с использованием атомно-слоевого осаждения .
Ожидается, что дефектные состояния в диэлектрике с высоким κ могут влиять на его электрические свойства. Состояния дефектов можно измерить, например, с помощью термостимулированного тока с нулевым смещением, термостимулированной токовой спектроскопии с нулевым температурным градиентом и нулевым смещением , [3] [4] или неупругой электронной туннельной спектроскопии (IETS).
Промышленность использует оксинитридные диэлектрики затвора с 1990-х годов, в которых диэлектрик из оксида кремния, изготовленный традиционным способом, пропитан небольшим количеством азота. Содержание нитридов слегка повышает диэлектрическую проницаемость и, как полагают, дает другие преимущества, такие как сопротивление диффузии легирующих примесей через диэлектрик затвора.
В 2000 году Гуртей Сингх Сандху и Трунг Т. Доан из Micron Technology инициировали разработку пленок с высоким κ методом атомно-слоевого осаждения для устройств памяти DRAM . Это помогло обеспечить экономически эффективное внедрение полупроводниковой памяти , начиная с 90-нм узла DRAM. [5] [6]
В начале 2007 года Intel объявила о применении диэлектриков с высоким κ на основе гафния в сочетании с металлическим затвором для компонентов, созданных по 45-нанометровой технологии, 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 высоким κ, также на основе гафния, для некоторых продуктов в 2008 году. Хотя это и не установлено, наиболее вероятным диэлектриком, используемым в таких приложениях, является некоторая форма азотированного силикаты гафния ( HfSiON ). HfO 2 и HfSiO подвержены кристаллизации во время активационного отжига с примесью. NEC Electronics также объявила об использовании диэлектрика HfSiON в своей 55-нм технологии UltimateLowPower . [9] Однако даже HfSiON чувствителен к токам утечки, связанным с ловушками, которые имеют тенденцию увеличиваться с увеличением нагрузки в течение срока службы устройства. Этот эффект утечки становится более серьезным по мере увеличения концентрации гафния. Однако нет никакой гарантии, что гафний станет фактической основой для будущих диэлектриков с высоким κ. Дорожная карта ITRS 2006 года предсказывала, что к 2010 году внедрение материалов с высоким κ станет обычным явлением в отрасли.
