High-k діелектрик — термін, що окреслює групу діелектриків у яких діелектрична проникність більша, ніж у діоксиду кремнію.
Також, під High-k розуміють технологію виробництва МОП напівпровідникових транзисторів з підзатворним діелектриком, що виконаний з High-k діелектрика.
Назва High-k є комбінацією слова англ. high (високий) та грецької літери (грец. Κάππα), якою позначають діелектричну проникність.
Обґрунтування використання
Діоксид кремнію, що використовується у МОП транзисторах у якості матеріалу підзатворного діелектрика, має ряд переваг:
- вирощується на поверхні кристалу шляхом високотемпературного окислення, що дозволяє точно контролювати його товщину і односторонність;
- має гарну адгезію з кремнієвою підкладкою;
- має низьку концентрацію дефектів;
- володіє хорошими ізолювальними властивостями;
- має високу хімічну та термічну стабільність.
Перший погляд
При масштабуванні транзисторів у бік зменшення накопичуються певні принципові труднощі. Товщина діелектрика затвора постійно зменшується, щоб збільшити ємність затвора і тим самим ефективніше контролювати струм у каналі, підвищуючи продуктивність пристрою. За товщини меншої, ніж 2 нм, струм витоку завдяки ефекту тунелювання різко зростає, що, в свою чергу, призводить до високого енергоспоживання та зниження надійності пристрою. Заміна діелектрика затвора з діоксиду кремнію на High-k діелектрик дозволяє збільшити ємність затвора без супутніх ефектів витоку.
Ємність затвора транзистора, що має ідеальну плоску паралельну форму:
— діелектрична константа матеріалу (іноді означають як ε);
— товщина діелектрика.
Оскільки зростання струму витоку обмежує подальше зменшення , альтернативним методом підвищення ємності затвора є заміна діоксиду кремнію на матеріал з високою . Тоді можна використовуватися більш товстий шар оксиду, який зменшить струм витоку, що протікає через конструкцію, а також підвищить діелектричну надійність затвора.
Другою проблемою, яка виникає при зменшенні товщини підзатворного діелектрика, є зменшення надійності приладу. Рух носіїв заряду в транзисторі призводить до виникнення дефектів у діелектрику. Зменшення товщини діелектрика зменшує критичний рівень кількості дефектів, при досягненні якого відбувається відмова приладу. Виготовлення підзатворного діелектрика з High-k матеріалу дозволяє збільшити його товщину, одночасно збільшуючи ємність затвора, що забезпечує зниження струму витоку на декількох порядків порівняно з діоксидом кремнію.
Вплив ємності затвору на струм стоку
Струм насичення транзистора дорівнює:
— струм у каналі;
— ширина каналу;
— довжина каналу;
— рухливість носіїв;
— ємність затвора коли канал у інверсійному стані;
— напруга на затворі транзистора;
— напруга формування інверсійного шару (порогова напруга).
Значення виразу обмежене в діапазоні, оскільки надто велика напруга створила б небажано сильне електричне поле у оксиді, а у свою чергу не може бути меншим за 200 через неприйнятне посилення струму витоку (втрат) та небажане підвищення споживання у режимі очікування. Таким чином, згідно з цим спрощеним переліком факторів, збільшення вимагає зменшення довжини каналу або збільшення діелектричної ємності затвора.
High-k матеріали
Заміна діоксиду кремнію, як основного діелектрика затворів, іншим матеріалом додає складності у виробничий процес. Діоксид кремнію може утворюватися окислюючи кремній підкладки, забезпечуючи рівномірний, однорідний оксид і високу якість поверхні. Зусилля з розробників були зосереджені на пошуку матеріалу з необхідною високою діелектричною сталою, який може бути легко інтегрований у виробничий процес. Інші ключові вимоги до матеріалу: подібність до оксиду кремнію за морфологією плівки, термостабільністю, підтримкою високої рухливості носіїв заряду в каналі та мінімізацію електричних дефектів плівки.
Матеріалами, що є перспективними у використанні - це , , та діоксид цирконію, як правило, плівки отримані за допомогою атомно-шарового осадження.
Очікується, що дефекти у High-k діелектриках можуть впливати на його електричні властивості. Дефекти можуть бути виміряні, наприклад, за допомогою термостимульованого струму нульового зміщення, градієнта нульової температури, термостимульованої струмової спектроскопії або нееластичної електронної тунельної спектроскопії (IETS).
Використання в промисловості
Промисловість використовує підзатворні діелектрики з з 1990-х років, в яких діелектрик оксиду кремнію зазвичай утворюється в присутності невеликої кількості азоту. Вміст нітридів підвищує діелектричну константу і, як вважається, пропонує ряд переваг, таких як зменшення дифузії допанту через діелектрик затвора.
У 2000 році Micron Technology ініціював розробку атомно-шарового осадження High-k плівок для мікросхем DRAM пам'яті. Це дозволило розробити рентабельне виробництво напівпровідникової пам'яті, починаючи з DRAM.
На початку 2007 року Intel оголосила про розгортання виробництва високоефективних діелектриків на основі гафнію в поєднанні з металевим затвором, побудованих за технологіями. В 2007 році у процесорі серії під кодовою назвою Penryn їх було застосовано. У той же час IBM оголосила про перехід на високоякісні матеріали на основі гафнію для деяких продуктів у 2008 році. Хоча точних даних немає, але найбільш вірогідним діелектриком, що використовується в їхніх продуктах, є певна форма азотованих (). і здатні кристалізуватися під час активації допантами. NEC Electronics також оголосила про використання діелектрика у своїх 55 нм технологіях UltimateLowPower . Однак, навіть є чутливий до ефектів, що породжують струм витоку та мають тенденцію до деградації протягом роботи пристрою. Цей ефект витоку струму стає більш помітним зі збільшення концентрації гафнію. Немає гарантії, що гафній буде служити основою для майбутніх діелектриків з високою діелектричною проникністю. Дорожня карта ITRS 2006 року передбачала, що впровадження високоякісних матеріалів стане звичним явищем у галузі до 2010 року.
Дивись також
Джерела
- (PDF). web.archive.org. 27 вересня 2007. Архів оригіналу (PDF) за 27 вересня 2007. Процитовано 31 грудня 2019.
- Yeo, Kiat Seng, 1964- (2005). Low voltage, low power VLSI subsystems. New York: McGraw-Hill. ISBN . OCLC 56198660.
- Lau, W. S.; Wong, K. F.; Han, Taejoon; Sandler, Nathan P. (24 квітня 2006). . Applied Physics Letters. Т. 88, № 17. с. 172906. doi:10.1063/1.2199590. ISSN 0003-6951. Архів оригіналу за 10 березня 2020. Процитовано 31 грудня 2019.
- Lau, W. S.; Wong, K. F.; Han, Taejoon; Sandler, Nathan P. (2006). Application of zero-temperature-gradient zero-bias thermally stimulated current spectroscopy to ultrathin high-dielectric-constant insulator film characterization. Applied Physics Letters. 88 (17): 172906. Bibcode:2006ApPhL..88q2906L. doi:10.1063/1.2199590.
- . . Institute of Electrical and Electronics Engineers. Архів оригіналу за 4 липня 2019. Процитовано 4 липня 2019.
- Sandhu, Gurtej; Doan, Trung T. (22 серпня 2001). . . Архів оригіналу за 5 липня 2019. Процитовано 5 липня 2019.
- . Intel.com. Архів оригіналу за 6 жовтня 2009. Процитовано 8 листопада 2011.
- . Архів оригіналу за 26 жовтня 2007. Процитовано 31 грудня 2019.
- . Necel.com. Архів оригіналу за 19 лютого 2010. Процитовано 8 листопада 2011.
- Review article by Wilk et al. in the Journal of Applied Physics
- Houssa, M. (Ed.) (2003) High-k Dielectrics Institute of Physics CRC Press Online
- Huff, H.R., Gilmer, D.C. (Ed.) (2005) High Dielectric Constant Materials : VLSI MOSFET applications Springer
- Demkov, A.A, Navrotsky, A., (Ed.) (2005) Materials Fundamentals of Gate Dielectrics Springer
- "High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors" Robertson, J. (Rep. Prog. Phys. 69 327-396 2006) Institute Physics Publishing doi:10.1088/0034-4885/69/2/R02 High dielectric constant gate oxides]
- Media coverage of March, 2007 Intel/IBM announcements BBC NEWS|Technology|Chips push through nano-barrier, NY Times Article (1/27/07)
- Gusev, E. P. (Ed.) (2006) "Defects in High-k Gate Dielectric Stacks: Nano-Electronic Semiconductor Devices", Springer
Посилання
- High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations: Journal of Applied Physics: Vol 89, No 10 Journal of Applied Physics
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
High k dielektrik termin sho okreslyuye grupu dielektrikiv u yakih dielektrichna proniknist k displaystyle kappa bilsha nizh u dioksidu kremniyu Takozh pid High k rozumiyut tehnologiyu virobnictva MOP napivprovidnikovih tranzistoriv z pidzatvornim dielektrikom sho vikonanij z High k dielektrika Nazva High k ye kombinaciyeyu slova angl high visokij ta greckoyi literi k displaystyle kappa grec Kappa yakoyu poznachayut dielektrichnu proniknist Obgruntuvannya vikoristannyaPorivnyannya struktur zatvoru iz zvichajnim dielektrikom dioksid kremniyu ta z High k dielektrikom Poperechnij pereriz N kanalnogo MOSFET sho pokazuye strukturu zatvor dielektrik kanalStrukturna shema polovogo tranzistora Dioksid kremniyu sho vikoristovuyetsya u MOP tranzistorah u yakosti materialu pidzatvornogo dielektrika maye ryad perevag viroshuyetsya na poverhni kristalu shlyahom visokotemperaturnogo okislennya sho dozvolyaye tochno kontrolyuvati jogo tovshinu i odnostoronnist maye garnu adgeziyu z kremniyevoyu pidkladkoyu maye nizku koncentraciyu defektiv volodiye horoshimi izolyuvalnimi vlastivostyami maye visoku himichnu ta termichnu stabilnist Pershij poglyad Pri masshtabuvanni tranzistoriv u bik zmenshennya nakopichuyutsya pevni principovi trudnoshi Tovshina dielektrika zatvora postijno zmenshuyetsya shob zbilshiti yemnist zatvora i tim samim efektivnishe kontrolyuvati strum u kanali pidvishuyuchi produktivnist pristroyu Za tovshini menshoyi nizh 2 nm strum vitoku zavdyaki efektu tunelyuvannya rizko zrostaye sho v svoyu chergu prizvodit do visokogo energospozhivannya ta znizhennya nadijnosti pristroyu Zamina dielektrika zatvora z dioksidu kremniyu na High k dielektrik dozvolyaye zbilshiti yemnist zatvora bez suputnih efektiv vitoku Yemnist zatvora tranzistora sho maye idealnu plosku paralelnu formu C ke0Sd displaystyle C frac kappa varepsilon 0 S d k displaystyle kappa dielektrichna konstanta materialu inodi oznachayut yak e e0 displaystyle varepsilon 0 elektrichna stala S displaystyle S plosha zatvora d displaystyle d tovshina dielektrika Oskilki zrostannya strumu vitoku obmezhuye podalshe zmenshennya d displaystyle d alternativnim metodom pidvishennya yemnosti zatvora ye zamina dioksidu kremniyu na material z visokoyu k displaystyle kappa Todi mozhna vikoristovuvatisya bilsh tovstij shar oksidu yakij zmenshit strum vitoku sho protikaye cherez konstrukciyu a takozh pidvishit dielektrichnu nadijnist zatvora Drugoyu problemoyu yaka vinikaye pri zmenshenni tovshini pidzatvornogo dielektrika ye zmenshennya nadijnosti priladu Ruh nosiyiv zaryadu v tranzistori prizvodit do viniknennya defektiv u dielektriku Zmenshennya tovshini dielektrika zmenshuye kritichnij riven kilkosti defektiv pri dosyagnenni yakogo vidbuvayetsya vidmova priladu Vigotovlennya pidzatvornogo dielektrika z High k materialu dozvolyaye zbilshiti jogo tovshinu odnochasno zbilshuyuchi yemnist zatvora sho zabezpechuye znizhennya strumu vitoku na dekilkoh poryadkiv porivnyano z dioksidom kremniyu Vpliv yemnosti zatvoru na strum stoku Strum nasichennya tranzistora dorivnyuye ID WLmCinv VG Vpor 22 displaystyle I D frac W L mu C inv frac V G V mbox por 2 2 ID displaystyle I D strum u kanali W displaystyle W shirina kanalu L displaystyle L dovzhina kanalu m displaystyle mu ruhlivist nosiyiv Cinv displaystyle C inv yemnist zatvora koli kanal u inversijnomu stani VG displaystyle ce V G napruga na zatvori tranzistora Vpor displaystyle V mbox por napruga formuvannya inversijnogo sharu porogova napruga Znachennya virazu VG V displaystyle V G V obmezhene v diapazoni oskilki nadto velika napruga VG displaystyle ce V G stvorila b nebazhano silne elektrichne pole u oksidi a Vpor displaystyle V mbox por u svoyu chergu ne mozhe buti menshim za 200 cherez neprijnyatne posilennya strumu vitoku vtrat ta nebazhane pidvishennya spozhivannya u rezhimi ochikuvannya Takim chinom zgidno z cim sproshenim perelikom faktoriv zbilshennya ID displaystyle I D vimagaye zmenshennya dovzhini kanalu abo zbilshennya dielektrichnoyi yemnosti zatvora High k materialiZamina dioksidu kremniyu yak osnovnogo dielektrika zatvoriv inshim materialom dodaye skladnosti u virobnichij proces Dioksid kremniyu mozhe utvoryuvatisya okislyuyuchi kremnij pidkladki zabezpechuyuchi rivnomirnij odnoridnij oksid i visoku yakist poverhni Zusillya z rozrobnikiv buli zoseredzheni na poshuku materialu z neobhidnoyu visokoyu dielektrichnoyu staloyu yakij mozhe buti legko integrovanij u virobnichij proces Inshi klyuchovi vimogi do materialu podibnist do oksidu kremniyu za morfologiyeyu plivki termostabilnistyu pidtrimkoyu visokoyi ruhlivosti nosiyiv zaryadu v kanali ta minimizaciyu elektrichnih defektiv plivki Materialami sho ye perspektivnimi u vikoristanni ce ta dioksid cirkoniyu yak pravilo plivki otrimani za dopomogoyu atomno sharovogo osadzhennya Ochikuyetsya sho defekti u High k dielektrikah mozhut vplivati na jogo elektrichni vlastivosti Defekti mozhut buti vimiryani napriklad za dopomogoyu termostimulovanogo strumu nulovogo zmishennya gradiyenta nulovoyi temperaturi termostimulovanoyi strumovoyi spektroskopiyi abo neelastichnoyi elektronnoyi tunelnoyi spektroskopiyi IETS Vikoristannya v promislovostiPromislovist vikoristovuye pidzatvorni dielektriki z z 1990 h rokiv v yakih dielektrik oksidu kremniyu zazvichaj utvoryuyetsya v prisutnosti nevelikoyi kilkosti azotu Vmist nitridiv pidvishuye dielektrichnu konstantu i yak vvazhayetsya proponuye ryad perevag takih yak zmenshennya difuziyi dopantu cherez dielektrik zatvora U 2000 roci Micron Technology iniciyuvav rozrobku atomno sharovogo osadzhennya High k plivok dlya mikroshem DRAM pam yati Ce dozvolilo rozrobiti rentabelne virobnictvo napivprovidnikovoyi pam yati pochinayuchi z DRAM Na pochatku 2007 roku Intel ogolosila pro rozgortannya virobnictva visokoefektivnih dielektrikiv na osnovi gafniyu v poyednanni z metalevim zatvorom pobudovanih za tehnologiyami V 2007 roci u procesori seriyi pid kodovoyu nazvoyu Penryn yih bulo zastosovano U toj zhe chas IBM ogolosila pro perehid na visokoyakisni materiali na osnovi gafniyu dlya deyakih produktiv u 2008 roci Hocha tochnih danih nemaye ale najbilsh virogidnim dielektrikom sho vikoristovuyetsya v yihnih produktah ye pevna forma azotovanih HfSiON displaystyle ce HfSiON HfO2 displaystyle ce HfO2 i HfSiO displaystyle ce HfSiO zdatni kristalizuvatisya pid chas aktivaciyi dopantami NEC Electronics takozh ogolosila pro vikoristannya dielektrika HfSiON displaystyle ce HfSiON u svoyih 55 nm tehnologiyah UltimateLowPower Odnak navit HfSiON displaystyle ce HfSiON ye chutlivij do efektiv sho porodzhuyut strum vitoku ta mayut tendenciyu do degradaciyi protyagom roboti pristroyu Cej efekt vitoku strumu staye bilsh pomitnim zi zbilshennya koncentraciyi gafniyu Nemaye garantiyi sho gafnij bude sluzhiti osnovoyu dlya majbutnih dielektrikiv z visokoyu dielektrichnoyu proniknistyu Dorozhnya karta ITRS 2006 roku peredbachala sho vprovadzhennya visokoyakisnih materialiv stane zvichnim yavishem u galuzi do 2010 roku Divis takozhKremnij na izolyatori Dvovimirnij elektronnij gazDzherela PDF web archive org 27 veresnya 2007 Arhiv originalu PDF za 27 veresnya 2007 Procitovano 31 grudnya 2019 Yeo Kiat Seng 1964 2005 Low voltage low power VLSI subsystems New York McGraw Hill ISBN 0 07 143786 X OCLC 56198660 Lau W S Wong K F Han Taejoon Sandler Nathan P 24 kvitnya 2006 Applied Physics Letters T 88 17 s 172906 doi 10 1063 1 2199590 ISSN 0003 6951 Arhiv originalu za 10 bereznya 2020 Procitovano 31 grudnya 2019 Lau W S Wong K F Han Taejoon Sandler Nathan P 2006 Application of zero temperature gradient zero bias thermally stimulated current spectroscopy to ultrathin high dielectric constant insulator film characterization Applied Physics Letters 88 17 172906 Bibcode 2006ApPhL 88q2906L doi 10 1063 1 2199590 Institute of Electrical and Electronics Engineers Arhiv originalu za 4 lipnya 2019 Procitovano 4 lipnya 2019 Sandhu Gurtej Doan Trung T 22 serpnya 2001 Arhiv originalu za 5 lipnya 2019 Procitovano 5 lipnya 2019 Intel com Arhiv originalu za 6 zhovtnya 2009 Procitovano 8 listopada 2011 Arhiv originalu za 26 zhovtnya 2007 Procitovano 31 grudnya 2019 Necel com Arhiv originalu za 19 lyutogo 2010 Procitovano 8 listopada 2011 Review article by Wilk et al in the Journal of Applied Physics Houssa M Ed 2003 High k Dielectrics Institute of Physics ISBN 0 7503 0906 7 CRC Press Online Huff H R Gilmer D C Ed 2005 High Dielectric Constant Materials VLSI MOSFET applications Springer ISBN 3 540 21081 4 Demkov A A Navrotsky A Ed 2005 Materials Fundamentals of Gate Dielectrics Springer ISBN 1 4020 3077 0 High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors Robertson J Rep Prog Phys 69 327 396 2006 Institute Physics Publishing doi 10 1088 0034 4885 69 2 R02 High dielectric constant gate oxides Media coverage of March 2007 Intel IBM announcements BBC NEWS Technology Chips push through nano barrier NY Times Article 1 27 07 Gusev E P Ed 2006 Defects in High k Gate Dielectric Stacks Nano Electronic Semiconductor Devices Springer ISBN 1 4020 4366 XPosilannyaHigh k gate dielectrics Current status and materials properties considerations Journal of Applied Physics Vol 89 No 10 Journal of Applied Physics