Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Московский институт электронной техники (технический университет)»
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ НОВОГО ТИПА.
ПЕРСПЕКТИВЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ НОВОГО ТИПА МИКРОИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
по курсу: «Новые типы диэлектриков для микро- и наноэлектроники»
Москва 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................... 3
1 Современные методы нанесения тонких пленок диэлектриков .................................. 3
2 Перспективы и ограничения диэлектриков нового типа микро- и
наноэлектроники.................................................................................................................. 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................... 9
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................ 9
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящем научно-информационном материале по курсу «Новые типы
диэлектриков для микро- и наноэлектроники» отражены основные особенности
методов создания тонких пленок диэлектриков нового типа для микро- и
наноэлектроники. Особое место отводится перспективам и ограничениям их
использования в современных технологических процессах.
1 Современные методы нанесения тонких пленок диэлектриков
Существует
достаточное
количество
известных
методов
создания
диэлектрических плёнок [1]. Есть физические методы: распыляется мишень,
представляющая собой смесь оксидов или сложное оксидное соединение. Но с
помощью физических методов не удается получить хороших результатов для
использования в технологии наноэлектроники. Большинство исследователей
ориентируется на процессы газофазного химического осаждения (ГФХО, CVDпроцессы). BaTiO3 позволяет получать диэлектрическую проницаемость до 2000,
SrTiО3 - до 500. Недостатком BaTiO3 является то, что этот материал имеет высокий k
в очень узком интервале температур. Поэтому делаются попытки получить тройное
соединение Ba(Sr)TiO3, значение k которого слабо зависит от температуры. High-k
диэлектрики можно получать из бета-дикетонсилов.
В настоящее время речь в основном идет о плазмо-активируемых процессах.
Вся технология ориентируется именно на низкотемпературные процессы. Это
связано с необходимостью улучшения качества структур. В низкотемпературных
процессах исключается диффузия, поэтому плазмо-химическая технология (ПХТ)
является в этом плане наиболее перспективной. Кроме того, плазмо-активируемые
процессы характеризуются хорошей адгезией формируемого слоя к подложке.
Известны другие физические низкотемпературные процессы: магнетронное,
ионное, электронное распыление. Однако ПХТ имеет огромное преимущество перед
ними: здесь материал структурируется на атомно-молекулярном уровне. Химикитехнологи могут управлять на атомном уровне составом материала, его свойствами,
дефектной структурой. Таким образом, данная технология предоставляет огромные
3
возможности для получения практически совершенных материалов, чем при
физическом распылении, в процессе которого материал летит кластерами. В
технологических процессах используется плазма He и других газов, например, H2,
N2, N2О. Они используются как предварительно активируемые в плазме
компоненты, которые потом «запускают» формирование сложных молекул. Это так
называемые процессы с удалённой плазмой.
Почему это важно? В технологических процессах используются сложные
молекулярные соединения. При работе с ними основная задача – удалить фрагменты
молекулярного соединения, которые не используются (а часто вредны), но ни в коем
случае не разрушить необходимые молекулярные связи. Здесь важна именно плазма
гелия, так как именно в ней образуются долгоживущие частицы с высокой энергией
(~20 эВ). Эти частицы, взаимодействуя со сложной молекулой вещества-источника,
передают запасённую энергию и активируют это вещество. Отсутствие информации
о механизме взаимодействия возбуждённых газов (в том числе, гелия) существенно
затрудняет формирование физических представлений о механизме процесса роста
плёнок в плазмохимических процессах. В литературе эти вопросы представлены
крайне скудно.
Для нанесения тонких пленок диэлектриков нового типа в современной
электронной технологии практически нельзя использовать традиционные методы
напыления. Напыление материала идёт из готовой мишени. Мишень, как правило,
керамическая, то есть по сути смесь грязных веществ. При распылении вещество
летит кластерами и потом на подложке сложно сформировать совершенную
структуру.
2
Перспективы и ограничения диэлектриков нового типа микро- и
наноэлектроники
Начиная с 60-х годов, то есть со времени создания первой микросхемы, и по
нынешний день в микросхемах использовались так называемые планарные
(плоские) полевые транзисторы с подзатворным диэлектриком на основе диоксида
кремния. При этом все усилия электронной промышленности были направлены на
4
то, чтобы уменьшить размеры самого транзистора. Так, в 1965 году в микросхемах
интегрировалось всего три десятка транзисторов, а современный процессор Intel
насчитывает уже сотни миллионов транзисторов на кристалле. Конечно, в процессе
эволюции планарных транзисторов менялись не только их размеры. Существенные
изменения претерпели и используемые материалы, и даже геометрия самих
транзисторов. Что ж, все логично. Для того чтобы выдержать диктуемые законом
Мура
экспоненциальные
темпы
увеличения
числа
транзисторов
в
одной
микросхеме, необходимо разрабатывать новые технологии производства.
Естественно, уменьшение размеров транзистора сказывается и на других его
характеристиках. Так, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в M
раз, то во столько же раз уменьшаются и толщина слоя диэлектрика, отделяющего
область затвора от кремниевой подложки, и ширина затвора, и рабочее напряжение
затвора. Кроме того, в M раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично
увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая
мощность уменьшается в 2M раз.
Таким
образом,
очевидно,
что
уменьшение
размеров
транзисторов
положительно сказывается на их характеристиках.
Основная
проблема,
связанная
с
уменьшением
размеров
транзистора,
упирается в то, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле
приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к
перегреву микросхемы. Причин тому несколько, но все они имеют один и тот же
корень: уменьшение размеров транзистора приводит к появлению токов утечки.
Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от
кремниевой подложки, а также между истоком и стоком в «выключенном»
состоянии транзистора.
Расскажем о причинах возникновения токов утечки в области затвора более
подробно. Слой диэлектрика между затвором и кремнием можно рассматривать как
плоский конденсатор, емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости
вещества, толщины слоя диэлектрика и площади затвора по формуле:
5
C
 0 kS
t
,
где S — площадь затвора, t — толщина слоя диэлектрика, k — диэлектрическая
проницаемость слоя диэлектрика.
Понятие емкости затвора очень важно, так как в том числе и от нее зависит
величина тока, проходящего между истоком и стоком. Действительно, поскольку
емкость определяет способность накапливать заряд, то при одном и том же
напряжении в случае большей емкости можно накопить больший заряд в канале
проводимости, а следовательно, и создать больший ток. Таким образом, большая
емкость позволяет снижать напряжение на затворе, что немаловажно при
уменьшении размеров транзисторов. Кроме того, на ток в канале проводимости
оказывает непосредственное влияние и длина самого канала: чем она меньше, тем
больший ток можно получить.
По мере уменьшения размеров транзистора уменьшалась и толщина слоя
диэлектрика. При этом между длиной канала и толщиной слоя диэлектрика
соблюдается простое соотношение: толщина слоя диэлектрика приблизительно в 45
раз меньше длины канала.
Вплоть до настоящего времени в качестве диэлектрического слоя традиционно
используется
диоксид
кремния,
диэлектрическая
проницаемость
которого
составляет 3,9. Однако уменьшение толщины слоя диэлектрика, которое приводит к
возрастанию емкости затвора, то есть положительно сказывается на характеристиках
транзистора, имеет и свои негативные последствия. Дело в том, что при достижении
величины в несколько нанометров начинают сказываться эффекты туннелирования
зарядов через слой диэлектрика, что приводит к возникновению токов утечки. В
частности, в 45-нм техпроцессе производства транзисторов при использовании
диоксида кремния в качестве подзатворного диэлектрика его толщина должна была
бы составить порядка 1 нм, то есть примерно пять атомарных слоев.
Казалось бы, почему нельзя увеличить толщину диоксида кремния для
уменьшения токов утечки? Ответ прост: это привело бы к уменьшению емкости
затвора и необходимости
увеличения
6
управляющего напряжения, то есть
фактически свело бы на нет все преимущества уменьшения размеров транзистора.
Поэтому проблему возникновения токов утечки можно решить, только если вместо
диоксида кремния использовать другие диэлектрические материалы, позволяющие
создавать более толстые слои диэлектрика, но, тем не менее, обеспечивающие
неизменную или даже более высокую емкость затворного конденсатора. Такие
материалы должны иметь более высокую диэлектрическую проницаемость. Они
получили название high-k диэлектрики.
Пусть, к примеру, емкость конденсатора, образованного диоксидом кремния,
равна:
Cox 
 0 k ox S
t ox
,
где kox — диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, tox — толщина слоя
диоксида кремния.
Емкость конденсатора, образованного high-k-диэлектриком, составляет:
C high k 
 0 k high k S
t high k
,
где khigh-k — диэлектрическая проницаемость high-k-диэлектрика, thigh-k — толщина
слоя high-k диэлектрика.
Для того чтобы емкости затворов с использованием диоксида кремния и high-k
диэлектрика были равными, необходимо, чтобы выполнялось условие:
 0 k high k S
t high k

 0 k ox S
t ox
,
то есть чтобы толщина слоя high-k-диэлектрика была равна:
7
 k highk
t highk  
 k ox

  t ox .

Таким образом, применение альтернативных материалов с более высокой
диэлектрической проницаемостью позволяет во столько раз повысить толщину слоя
диэлектрика по сравнению с толщиной диоксида кремния, во сколько раз
диэлектрическая проницаемость вещества больше диэлектрической проницаемости
диоксида кремния. Увеличение же слоя диэлектрика, в свою очередь, позволяет
уменьшить токи утечки [2].
Впервые high-k диэлектрики начали использоваться в транзисторах при
переходе на 45-нм технологический процесс производства, который в этом смысле
действительно стал революционным. Так, в 45-нм техпроцессе в качестве
подзатворного диэлектрика применяется оксид гафния.
Заменить диоксид кремния на high-k диэлектрик с целью снижения токов
утечки не так просто, как может показаться. И дело в данном случае не в том, что
для этого необходимо менять технологический процесс производства микросхем, а в
том, что high-k диэлектрики плохо сочетаются с поликристаллическим кремнием, из
которого изготавливается затвор. В научной литературе есть сведения, что
использование
структуры
«high-k/поликремний» приводит
к возникновению
высокого порогового напряжения в планарных транзисторах. Кроме того,
наблюдается значительное снижение активности движения электронов через канал
из-за возникновения так называемого поверхностно-оптического фонового режима
(SO) и связанного с ним снижения эксплуатационных характеристик транзистора
вследствие поляризации high-k слоя и инверсии заряда материала канала.
В частности, при применении оксида гафния просто невозможно сформировать
поликремниевый затвор. Да и с металлическими затворами поверх этого материала
все непросто. Поэтому немало сил было потрачено на разработку структуры
металлических затворов, которые можно формировать поверх диэлектрика на
основе соединений гафния.
Собственно, в разработке такого сочетания high-k диэлектрика и нового
материала затвора и заключался революционный прорыв компании Intel. Сочетание
8
high-k-диэлектрика и нового металлического затвора, в качестве которого
используется силицид никеля, позволяет более чем в 10 тыс. раз по сравнению с
диоксидом кремния снизить токи утечки, сохранив при этом высочайшие рабочие
параметры транзисторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как уже отмечалось, впервые high-k диэлектрики в сочетании с металлическим
затвором из силицида никеля были применены в 45-нм техпроцессе. Использование
high-k диэлектриков предусмотрено и в техпроцессах с проектной нормой 32 и
22 нм. Однако естественно, что в 32-нм техпроцессе речь идет уже о втором
поколении high-k диэлектриков и новом металлическом затворе. Собственно, второе
поколение high-k диэлектриков — этот тот же оксид гафния, но легированный
особым образом. В качестве металлического затвора применяется все тот же
силицид никеля, но сделанный немного иначе, чем в 45-нм технологии [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Плотянская М.А., Киршина И.А., Филонов О.М. Материаловедение и
материалы электронной техники: Текст лекций / СПбГУАП. СПб., 2004. – 95 с.
2 Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. СПб.:
Издательство «Лань», 2001. – 368 с.
3 Sungjun Im et al. Thermal Scaling Analysis of Multilevel Cu/Low-k Interconnect
Structures in Deep Nanometer Scale Technologies // Proc. of the 22nd Inter. VLSI
Multilevel Interconnect Conference (VMIC), Oct. 3 - 6, Fremont, 2005. –pp. 525-530.
9