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 |
|
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?