Использование high-K диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью

В результате непрерывного масштабирования толщина подзатворного окисла составляет в современных приборах около 1нм. Минимально возможная толщина окисла должна быть более одного слоя атомов и составляет ~ 0,8нм. Это размер всего трех атомов кремния. Таким образом, масштабирование толщины окисла в настоящее время достигло предела. Следует также добавить, что пленки окисла такой малой толщины чрезвычайно трудно создавать и контролировать. При этом падает надежность таких пленок из-за электрического пробоя. Но самое главное заключается в том, что уменьшение толщины окисла приводит к проблеме недопустимого роста подпороговых токов утечки вследствие туннелирования через подзатворный окисел. Вероятность туннелирования и туннельный ток экспоненциально зависят от толщины окисла. Как видно из рисунка, на каждые 2Å уменьшения толщины окисла ток утечки затвора возрастает примерно на порядок. Считается, что допустим такой уровень токов утечки, при которых они существенно меньше рабочих токов стока, что соответствует предельной плотности туннельного тока
~ 100А/см².

При рассмотрении масштабирования толщины окисла необходимо учитывать ещё два эффекта, увеличивающих эффективную толщину окисла. Первый эффект связан с обеднением поликремниевого затвора. При уровне легирования затвора 10²⁰см^-3 толщина обедненного слоя в затворе составляет ~ 0,4 - 1нм. Второй эффект связан с квантованием электронного газа в канале. В результате квантования максимум плотности электронов находится не на границе окисел-кремний, а отстоит от неё на расстояние ~0,3-0,4нм. В результате приходится говорить не о толщине подзатворного окисла, а об эквивалентной электрической толщине окисла ЕОТ_el, которая складывается из трех составляющих. Её величину можно найти, учитывая, что емкости поликремния, окисла и инверсного слоя включены последовательно друг другу.

С другой стороны, быстродействие транзистора пропорционально максимальному рабочему току (drive current) и емкости подзатворного окисла. Таким образом, увеличивая быстродействие за счет уменьшения толщины подзатворного изолятора, мы неминуемо увеличиваем туннельные токи утечки.

Решение состоит в использовании в качестве подзатворных диэлектриков с бòльшими значениями диэлектрической проницаемости, чем у окисла кремния . Класс диэлектриков с высоким значением диэлектрической проницаемости для краткости будем именовать международным термином «high-k диэлектрики». Идея состоит в том, что при равной удельной емкости high-k диэлектрики гораздо толще и, соответственно, имеют существенно более низкие уровни туннельных токов утечки. Для характеризации диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью часто рассматривают “эквивалентную толщину” в противоположность физической толщине изолятора d_ox

(7.7.1)

Это эквивалентная толщина слоя SiO₂ судельной емкостью, такой же, как гораздо более толстый слой high-k диэлектрика. При равной удельной электрической емкости high-k диэлектрики обеспечивают существенно более низкий уровень туннельных утечек. Электрически эквивалентную толщину high-k диэлектрика

можно сделать меньше, чем 1нм, что невозможно для SiO₂. Для технологической нормы 70 нм (2006) и напряжении питания V_DD = 1,1В эквивалентная толщина EOT = 1,1нм, и с учетом толщины области обеднения затвора и инверсионного слоя (~ 0,7 нм), получаем электрическую эквивалентную толщину окисла ~ 1,8 нм.

В МДП-транзисторах емкость затвора определяется последовательным соединением трех емкостей: емкости окисла, емкости обеднения поликремниевого затвора и емкости инверсного слоя (канала). Величина обеднения поликремния определяется степенью его легирования и может быть устранена заменой поликремниевого затвора на металлический, в котором толщина слоя обеднения ничтожно мала (~0,5Å). Это позволяет существенно уменьшить электрическую эквивалентную толщину окисла при использовании комбинации high-k диэлектрика и металлического затвора.

7.8. Проблемы использования high-K диэлектриков

Потенциальными кандидатами на роль подзатворного окисла являются окислы редкоземельных элементов (НfО₂, ZrO₂) с диэлектрическими проницаемостями ~ 20...25, а также сапфир (А1₂O₃) ~11, SrTiО₃ ~200, SiTi ~ 310 и др. (табл. 7.1).

Чем больше проницаемость, тем меньше ширина запрещенной зоны и разрыв между краями зон проводимости кремния и изолятора ΔE_C (см. табл. 7.1 и рис.). Это плохо, поскольку приводит к забросу горячих носителей из канала в изолятор и деградации свойств последнего (зарядка, образование поверхностных состояний).

Таблица7.1