Список типичных high-K диэлектриков и их свойства

Материал	Относительная диэлектр. постоянная	Ширина запрещенной зоны (эВ)	Разрыв зон ∆Ес (эВ)
SiO2	3,9	8,9	3,2
Si3N4		5,1
A12O3		8,7	2,8
Y2O3		5,6	2,3
La2O3		4,3	2,3
Ta2O5		4,5	1-1,5
TiO2		3,5	1,2
HfO2		5,7	1,5
ZrO2		7,8	1,4

 

Рис.7.13 Энергетическая зонная диаграмма границы кремния и high-k диэлектрика

Для уменьшения электрической эквивалентной толщины диэлектрика необходимы high-k диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью. Однако high-k диэлектрики со слишком большой диэлектрической проницаемостью (>100) нежелательны, поскольку приводят к проникновению продольного электрического поля от стока через high-k диэлектрик в канал, что вызывает значительные короткоканальные эффекты и увеличивает подпороговый размах S.

Поэтому необходимо сочетание оптимальной величины диэлектрической проницаемости, равной 10-30, с достаточной величиной разрыва зон проводимости кремния и диэлектрика. Подходящие кандидаты HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃.

Проблема тока утечки затвора возникла в конце 1990-х годов, и выбор диэлектрика был неизвестен. Позднее в 2001г выбор остановился на HfO₂, который используется в настоящее время.

При использовании high-k диэлектриков возникает 4 проблемы: 1) возможность продолжения масштабирования к меньшим ЕОТ, 2) падение подвижности носителей в канале (подвижность приблизительно в 2 раза меньше, чем при обычном термическом SiO₂), 3) сдвиг порогового напряжения и 4) нестабильность, вызываемая высокой концентрацией электронных дефектов в диэлектрике.

Низкая подвижность связана, во-первых, с сильной дефектностью и высокой плотностью поверхностных состояний на границе high-k диэлектрика с кремнием. Для решения этой проблемы используется очень тонкий (1-2 атомных монослоев) разделительный буферный слой SiO₂.

Дефектная граница раздела с поли-Si затвором приводит к накоплению в этой области заряда и нежелательному увеличению порогового напряжения. Для того чтобы избавиться от этой проблемы, нужно использовать металлические затворы. Выбор металла затвора определяется в первую очередь его работой выхода, позволяющей получить необходимое пороговое напряжения транзистора. Имеется две возможности. Поскольку КМОП структура состоит из транзисторов двух типов, во-первых можно использовать один и тот же металл для п -канальных и р -канальных транзисторов. В этом случае работа выхода металла должна соответствовать середине запрещенной зоны кремния и составляет примерно 4,6эВ. Это наиболее простой выбор с точки зрения технологии, поскольку требуется только один шаблон и один металл. При этом обеспечивается симметрия пороговых напряжений для п - и р -канальных МОПТ, однако их величина достаточна велика (). Второй, более трудный выбор заключается в использовании различных металлов для затворов п -канальных и р - канальных транзисторов (work function engineering). Использование двух металлов позволяет выбрать необходимую работу выхода и получить более низкие пороговые напряжения. В этом случае для затворов п -канальных транзисторов требуется металл с работой выхода вблизи дна зоны проводимости, примерно 4,0эВ. Такой металл очень химически активен. Для затворов р -канальных транзисторов требуется металл с работой выхода вблизи потолка валентной зоны примерно 5,1эВ. Такой металл наоборот химически мало активен (подобно благородным металлам) и его трудно травить.

В полярных окислах металлов (например, HfO₂ или ZrO₂) с высокой диэлектрической проницаемостью имеет место сильное рассеяние электронов на поверхностных колебаниях (так называемое рассеяние на удаленных фононах). Металлический затвор существенно экранирует такие колебания. Поэтому переход на high-k изоляторы связан с переходом на металлические затворы, что порождает другие проблемы.

Тем не менее, компания Intel в 2007 г. запустила технологию с проектной нормой 45 нм с изолятором на основе HfO₂. По-видимому, эта промышленная технология основана на экспериментальных образцах с металлическим затвором, о которых в 2003 г. сообщалось как о технологическом прорыве. Это электрическая толщина окисла 1,45 нм, максимальный рабочий ток для n - МОПТ (p -МОПТ) 1,7 (0,7) мА/мкм, статический ток утечки
~ 40 (25) нА/мкм при напряжении питания 1,3 В.

Литература:

1. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектрники, М.: БИНОМ, 2011, с. 188-199.

2. Парменов Ю.А. Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, гл. 7.

3. Taur Y., Buchanan D.A., Wei Chen, Frank D.J. at al. CMOS Scaling into the Nanometer Regime, Proceedings of the IEEE, 2001, v.85, №4, pp.486-504.

4. Wong P., Frank D.J., Solomon P.M. at al, Nanoscale CMOS. Proceedings of the IEEE, 1999, v.87, №4, pp.537-570.

5. Taur Y., CMOS design near the limit of scaling. IBM J. RES. & DEV. VOL. 46, NO. 2/3, 2002, pp.213-222.

6. Wong H.-S. P. Beyond the conventional transistor, IBM J. RES. & DEV. VOL. 46 NO. 2/3 MARCH/MAY 2002, pp. 133-168.

7. Buchanan D. A. Beyond microelectronics: materials and technology for nano-scale CMOS devices, phys. stat. sol. (c) 1, No. S2, S155– S162 (2004).

8. Helms D., Schmidt E., and Nebel W. Leakage in CMOS Circuits – An Introduction, PATMOS 2004, E. Macii et al. (Eds.), LNCS 3254, pp. 17–35, Springer, 2004.

9. Saibal Mukhopadhyay, Hamid Mahmoodi-Meimand, Cassandra Neau, and Kaushik Roy Leakage in Nanometer Scale CMOS Circuits, 0-7803-7765-6/03, IEEE., pp. 307-312.

10. Liu T.-J.K. and Chang L. Transistor Scaling to the Limit, in «Into the Nano Era: Moore’s Law Beyond Planar Silicon CMOS», Ed. H. R. Huff, Springer, 2009, pp.191-223.

11. Marc Van Rossum MOS Device and Interconnects Scaling Physics, in «Advanced Nanoscale ULSI Interconnects: 15 Fundamentals and Applications», Y. Shacham-Diamand et al. (eds.), Springer Science+Business Media, pp. 15-38.

12. Roy K., Mukhopadhyay S., Mahmood-Meimand H. Leakage Current Mechanisms and Leakage Reduction Techniques in Deep-Submicrometer CMOS Circuits, Proceedings of the IEEE, 2003, v.91, №2, pp.305-327.

 

Задание для СРС

1.Изучить материал лекции №7 по конспекту и по литературным источникам.

2. Для подготовки к следующей лекции ознакомиться с её материалом по конспекту лекции №8.

 

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите механизмы токов утечки в современных МОПТ объемной технологии.

2. Что устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала МОПТ? Чему равна минимальная величина Leff?

3. Опишите механизм прямого туннелирования через подзатворный окисел.

4. Опишите механизм туннелирования Фаулера-Нордгейма.

5. От каких факторов зависит подпороговый ток утечки?

6. Опишите механизм GIDL – эффекта.

7. Какая структура МОПТ обеспечивает минимальный GIDL – ток?

8. Какова цель использования high-K диэлектриков?

9. Почему нежелательна слишком большая диэлектрическая проницаемость high-K диэлектрика?

10. В чем состоят проблемы использования high-K диэлектриков?

11. Чем определяется выбор металла для затвора?

12. В чем преимущества и проблемы металлических затворов?