Solid State Circuits TechnologiesV, je výška bariéry, Tor je fyzikální konstanta izolátoru a aapreexponenciální faktory Z toho povšimněte, že tox nebo k ovlivňuje hustotu proudu stejnosměrného tunelu Hustota tunelového proudění se dramaticky zvyšuje. SiO se stává tenčí V generaeakage se zmenší 100krát dříve, než 5 nm, že sio je ztenčeno do výšky jako 10 E Amp/cm- rozsah pro SiO tak tenký jako HighIGIDL + Ig)Kde: Isubth:IGIDL: hradlem indukovaný svodový proudIg: gate leakageOn na druhé straně rovnice [1] ukazuje, že zvýšení dielektrické konstanty izolátoru přímé tunelovací proud
Je to proto, že hradlový oxid fyzikálně koreluje ekvivalentní tloušťkou oxidu (EOT) definovanouOT=(Ksio/KinsulatorTinsulat kde Kso a Kinsulator jsou dielektrická konstanta SiO2 a izolátoru a Insulator je fyzická tloušťka izolátoru Na základě této definice, izolátor s pětkrát větší dielektrickou konstantou než SiOz by vyžadoval pětkrát větší fyzickou tloušťku než SiO, aby si zachoval stejnou EOT jako SiOz. Proto tunelování může být řádově leiO2, protože tunelový svodový proud exponenciálně klesá, když se izolátor stává silnějším než metatunely. kovová elektroda nejprve do vodivostního pásma izolátoru a poté postupuje směrem k druhé polovodičové elektrodě. Toto je známé jako Fowler-Nordheim (FN) tunel pro FN tunelovací proudovou hustotu Va3/2 To)=D exp(32K4) kde C a D jsou preexponenciální faktory Z této rovnice povšimněte si, že výška bariéry je dominantním faktorem při řízení proudové hustoty tunelu FN, který vyrovná exponent (součin m, Vh a k) znázorněný v ekvipřímém tunelování (nízké pole) a tunelování Fn (vysoké pole) pro izolanty s různými hodnotami Va a K Výsledky ukazují následující pro zvýšení dielektrické konstanty, redukce lze použít pro vysoce čistý nitrid) uvedené v tabulce, uvedené v přímém t
k Amos Tacngolsgieb laterální oxidační model Advances [171ed na okraji XTEMormace během vysokoteplotního žíhání, jako je žíhání s odvodněním Oxidační zařízení nestačí k zabránění vzniku uzlů, které využívají vysoký svodový proud
PMOS Capacitorlum ze substrátu Edge0Metal oxideSi
Technologie polovodičových obvodů je stále výzvou k dosažení výroby tranzistorů EOtfter Degradace mobility zařízení je pozorována wlmelektrická To je problematičtější pro aplikace s nízkým EOT Protože kompatibilita s kovovým hradlem má několik výhod, je stoh hradel s vysokým k/kovem volba pokročilého klíčového problému pro výzkum materiálů kovových hradel je řízení pracovní funkce kovových hradel po zpracování CMOS Existují dvě možnosti implementace kovového hradla Typ CMoS devond je elektroda s dvojitým kovovým hradlem s jedním kovem s pracovní funkcí (4, 1 ev) blízko vodivostní pásmo křemíkového substrátu (Ec) pro NMOS a druhé s pracovní funkcí (-5 2 ev) v blízkosti valenčního pásma křemíkového substrátu (e pro PMOS (obrázek 16) Materiály kovových elektrod by měly mít tepelné, chemické, odlučovací vlastnosti Je žádoucí použít integraci procesu CMOS, buď konvenční poslední přístup hradla typu "první brána nebo výměna".
Možnými kandidáty jsou kovové libra (nitridy, silicidy, karbidy, boridy atd.) a pevné roztoky CoAn se protíná v thersus EOT grafu je pracovní funkce (obrázek 17) Tabulka 2
to Advances s amos TacngolsgieApplying High-k/Metal-Gated DevicesZrN/SiO2vFa"中 vss/x中ws“中n[xE2…kTnN/]中中4620 voltso ch7,433,46367425Zrsi2425,464154TaN5,44
3,40243472,455-463464,453-462
Metoda polovodičových obvodů a fólie proMetal odstraňují vlastnosti kovové fólie, jako je měrný odpor, mikrostruktura, depoziční procesy, jako je CVD a PVD, jsou běžné metody Obecně platí, že fólie CVD poskytují lepší konformitu a zanedbatelné poškození ve srovnání s fóliemi PVD, brformalita, ale propustnost je nízký
Proces ukládání obrázků na výkon zařízení Mobilita zařízení než Cvd má vyšší svodový proud hradla než zařízení vyrobená s CVD a ALDEeff(MV/cm)TiNSIO,(30A)s N,-800t+H-for看
ProgVýzvy aplikace Highk/Metal-Gated Devices na advane58PMOSon (většinou z CVD) a plazmové dafrom PVD) ovlivňují hradlo odrazuje jako Dit V, stabilitu a integritu hradla s oxidem Dalším problémem u kovových hradel je špatná odolnost proti oxidaci Leptatelnost kovových materiálů , zejména selektivita vůči oxidům kovů, je klíčová "Gate First" Integrace CMOS Konvenční hradlo jako první integrace zahrnuje schopnost vyleptat příklad hradla, Obrázek 20 Stoh nitridových/W/cínových hradlových elektrod nahoře Materiál hradlové elektrody musí být chráněn před oxidací nebo materiálem ataceelektrody teplotní kroky
Tyto požadované limitní materiály pro materiály kovových hradel a alternativní high-k dilectTiN W Resistoκ ido a/nebo N⊥七rideGateoxidesubstracts七ep1stcketFig2028,29placement "Gate Last"CMOS Integrationtato integrace hradla eliminuje mnohá omezení, která představuje konvenční polyilizní konstrukce první výroby oxid je nanesen pomocí chemicko-mechanického leštění (CMP) technologií vyrovnání horního povrchu obrázek 20a), mokré leptání nebo dis použité k odleptání polysilikonového hradla (obrázek 20b) následované novým materiálem kovové hradlové elektrody a adielektrickou depozicí (obrázek 20c) Další CMP nebo se použije druhé vzorování brány
Technologie polovodičových obvodů i křemíkový substrátVýplňový křemíkový substrátmet-1hin oxidy cínu křemíkový substrátFunkce práce s jedním kovovým gateid-gap nemusí být schopna dosáhnout prahového napětí lotOSFET a zvýšit výkon; má však potenciál pro zcela vyčerpané aplikace křemíku na izolátoru (FDSOI) Dvojité kovy s pracovními funkcemi podobnými n* polysilikonu a p*polysilikonu představují významné integrační výzvy Termodynamická a mechanická stabilita při výběru kovů Nevýhody integrace brány jako první a brány jako poslední Konečná o výběru integračního schématu rozhodne perfd3 Charakteristiky zařízení pomocí High-k/Metal Gate(HKMG)stack31 Dopad defektů v HKMG stacku na výkon a spolehlivost zařízeníJak je uvedeno v části 2
11d, nanesené dielektrikum hradla s vysokým klem obsahuje vysoký defekt mezi křemíkem a tepelně vypěstovaným hradlem. Průřez TEM hradlem HKMG, znázorněný na obrázku 21, zdůrazňuje různé oblasti svazku hradel. -k hradlové dielektrikum a na rozhraní mezi křemíkovým substrátem a IL mají významný dopad na stabilitu zařízení a spolehlivou stabilitu prahového napětí Jak je uvedeno v části 212aiii, nejlepším kandidátem na vysokokdielektrikum je oxid kovu na bázi Hf, proto je následující diskuse založena na HfO2 / stoh kovové brány
to Advanced amos TecnglsgitMetalGate30AHigh-K0A311 Si/IL rozhraní – namáhané uvolněné žádoucí, protože potřebujeme tenkou výhodu Nanášení high-k na vrchol tlustého, vysoce kvalitního, tepelně groyistor rychlosti K vyřešení tohoto problému je zapotřebí předoxid uvolňující napětí Proces (SRPO) byl vyvinut narušil vlastnosti rozhraní mezi vysoce dielektrickým a křemíkovým substrátem při zachování požadované tenkosti pro splnění požadavku na zvýšení rychlosti pro integrované obvody Zde diskutovaný experiment je následující Tepelný oxid SRPOhe zpět na 10 A za použití zředěného 700 : 1 kyselina fluorovodíková: roztok H20HfO2 je poté deponován pomocí ALD Poté, co bylo dielektrikum s vysokým kk podrobeno PDA, byl použit TasiN metal00C k výrobě nMOSFETů s kovovým hradlem/high-k stackem na křemíku [32].
Obr. 22 šetří posun prahového napětí (Vo) pod cess (čištění rCA následované ALD HfO s kovovým hradlem Tasin) a nový proces SRPO hradlový zásobník TasiN/HfO2 pro zařízení s krátkým kanálem10 um/015 um) SRPO se zásobníkem TaSiN/HfO vede k 3x menšímu posunu Vi než u standardního procesu Tyto výsledky naznačují, že zařízení se standardním procesem trpí poškozením hradla způsobeného procesem během výroby tranzistoru, což při použití SrPo významně zvyšuje past s větším posunem V při použití SrPo. kvalitní mezifázová vrstva pod HfO, která potlačuje vytváření interfejsové pasti a hraniční pasti při namáhání konstantním napětím Pro poškození hrany brány vyvolané přístupem byl měřen nábojový čerpací proud na33] pod drainbias, aby se detekoval místní náboj na hraně brány Výsledky ukazují past na nižším a hraničním stavu hustota pro HfO/SRPO zařízení než pro HfO/RCa navržené čerpání náboje je robustnější než rcúprava za procesem indukovaného lokálního náboje zařízení s krátkým kanálem se SRPO je vyšší než standardní předúprava díky lepším vlastnostem povrchu s procesem SRPO Zásadní rozdíl mezi chemická látka
Výzvy Ap
plying High-k/Metal-Gated Devicesequation je pouze asi dvakrát větší než u SiO, zatímco exponent zobrazený v2 Na druhou stranu je jasné, že izolátor s hodnotou K 25 významně snižuje expooling v přímém tunelování Eq< p> [1 a více než dvakrát v tunelu FN「 LowField「 High Field I78Ta2O%,HfO_,ZrO2-45921 SiO2/Polyschematický MOSFET, ve kterém je hradlový oxid SiO2 a ektroda je dopovaný polysilikon Obrázek 2 ukazuje ekvivalentní obvod an MOS Celková kapacita MOS CK, kde Cor je oxidová kapacita, Cs je křemíková kapacita a Cp je polysilikonová gatetrode depletiPoly-Si GateGate OxideGOXTechnologie polovodičových obvodů Když je mOSFET provozován v inverzním režimu, dopovaná polysilikonová energie hradla závislá na pásmu energie Cp a FETthe Cox pro aplikované hradlové napětí (Ve, které v důsledku degraduje koncentraci MOSF v oxidu hradla a indukuje problém s prahovým napětím (Vi) Na druhé straně by hradlová elektroda mohla eliminovat polysilikonové hradlo deplpantininkorporované do hradlové elektrody Další výhodou kovové hradlové elektrody je, že odpor elektrody kovové hradlové elektrody je menší než u polysilikonového hradla22 Vysoká dielektrická konstituovatelnost s hradlovými elektrodami s vysokými dielektrickými izolátory vzbuzuje určité obavy
Většina oxidů kovů s vysokou dielektrickou konstantou se používá aste zpětná reakce izolátoru makekontroluje prahové napětí MOSFET Na druhé straně hetal gre kompatibilní s oxidy kovů s vysokou dielektrickou konstantou Materiály stínění izolátorů s vysokou dielektrickou konstantou a kovové hradlové dielektrické obvody gh-k plynu s vysokým k základní problém dielektrika s vysokým k hradlovým dielektrikem v MOSFETodstup mezi dielektrickou konstantou (K) a zakázaným pásmem (např.) Mikrostruktura filmu: krystalický akt amorfního rozhraní javer ali na celkovém dílu, škálovatelnost Eot, rozhraní a mobilita mosfetu Možná degradace mobility a vysoký fixní náboj způsobený vysokok izolační analýzou Gibbsových volných energií řídících následující chemické reakce ternární systémy kov-Si-kyslík jsou důležité pro předpovídání stability Aby se zabránilo nestabilitě s Si za vzniku SiO,Si+M。→M+SiO2Si+ M。x→Ms+siOb Kompromis mezi dielektrickou konstantou (K) a mezerou v pásmu (Eg) Z přímého tunelování Eq [1, je žádoucí najít izolátor s vysokým gh-k oxidy kovů nejsou hlášeny, nejbližší a běžně dostupný indikátor pro posun pásma jsou hodnoty zakázaného pásma Obrázek 3 ukazuje graf zakázaného pásma versus dielektrická konstanta pro různé oxidy kovů
to Advanced amos TecnglsgitApplying High-k/Metal-Gated Devices6A12o38ZrSio4 HfSiO4A103La20o Bao432electric ConstantFig 3 Kompromis mezi dielektrickou konstantou a zakázaným pásmem omezuje výběr mikrostruktury metaC filmu: Krystalický amorfní materiál, který způsobí defekty/výpadky zařízení, In kyslík, dopant a nečistoty rychle difundují do polykrystalické struktury primárně přes hranici zrn a degradují hradlový svazek Další velikost potenciálu mezi malými zařízeními a destičkami
Amorfní oxidy kovů mohou snižovat difúzi O a dopantů a nižší defektivitu; dielektrická konstanta než oxidy kovů s polykrystalickou fúzí přes hranici zrna oxidů kovu Zřetelný rozdíl ve zpracování mezi oxidy kovů a konvenčním tepelným oxidem sio,, Kov oxidovaný nanesený na křemíkovém substrátu místo tepelně vyrostlý jako SiO2 Vlastní kvalita naneseného filmu je horší než tepelně vyrostlý film Žíhání po depozici pod zředěným kyslíkem v okolním prostředí Většina oxidů kovů s vysokou dielektrickou strukturou po žíhání Proto kyslík v okolním žíhání po pokovení difunduje přes hranice zrn oxidů kovů a reagujeSiO mezifázová vrstva (tj. dopad amorfní mezifázové vrstvy (IL) na celkovou dielektrickou konstantu izolátoru, škálovatelnost EOT, drsnost rozhraní Mezifázová vrstva podobná SiO2 snižuje celkovou dielektrickou konstantu dvouvrstvého hradla, což vede k EOt na méně než 1 nm obtížné Rozhraní mezi IL a silikonovým substrátem je hrubší než rozhraní mezi konvenčním tepelně vypěstovaným SiOz a
Technologie polovodičových obvodů křemík, který může zhoršovat mobilitu kanálového nosiče a generovat uvedené efekty rozhraní, Obrázek 4 ukazuje snímek metaloxidové mos struktury a klíčů o kompatibilitě sestavy hradel z transmisní elektronové mikroskopie (TEM) a kompatibilita mezivrstvy, 4f Možná degradace mobility a vysoká pevná Náboj způsobený fonony High-k InsulatorSoft ve vazebné struktuře oxidu kovu přispívá k atomu k celkové polarizaci a tím k vysoké dielektrické konstantě
Vzhledem k tomu, že mobilita kanálových přenašečů je odstupňována interakcí podle kandidáta hadielektrické konstanty nebo malého zakázaného pásma, spadají tyto kandidáty do skupiny IVB, IlIA a IB periodické tabulky Oxidy kovů používané pro paměťové kondenzátory [1, 2, 3, 4 Kandidáti jako např. TiO2 a TazOs mají výhodu v tom, že mají relativně vysokou dielektrickou konstantu a historii zpracování v průmyslu, díky čemuž jsou však pro logická zařízení neatraktivní: Stabilita malého pásma u silikonů vyžaduje kyslíkové žíhání pro zlepšení kvality filmu, což vede k oxidaci eOt
pro pokročilé technologie TecnglsgitAplikace zařízení s vysokým klem/kovovým hradlem Nestabilní mikrostruktura Oxidy kovů skupiny IllA a IIIB: Al2O3 a La O3 5, 6ddition, Al2o3 isphous při 1000C a má relativně vysokou zakázanou šířku pásma (87evit má relativni difúzní dilectand a snadno absorbuje HzO LazO má relativně vysokou dielektrickou konstantu (K 27), ale zakázané pásmo je malé (43 ev) a velmi snadnoiii Skupina IVB Oxidy kovů: HfO a ZrO2[8-18Tyto oxidy kovů mají přiměřeně vysoké dielektrické konstanty a pásmová mezera (viz obrázek 3) Zařízení ZrOz i HfOz prokázala snížení velikosti úniku hradla s EOT kolem 1
0 nm a dobře fungující křemíkové brány než HfO2 Obrázek 6 ukazuje tloušťku mezifázové vrstvy beneaI teplotních rázů od 550 do ZroIn tenciaaer550CPDA650 CPDAObr6[13Obrázek 7 ukazuje rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS) spektra, která odhaluje O2R XPS rozhraní na Zrzzzr Zr metalgate stack je žíhán v nif950C pod ultravysokým hradlovým svodovým proudem Také tvorba mezifázového sio, mezi D2 a polysilikonovým hradlem během nanášení polysilikonu Tyto výsledky naznačují interakci mezi ZrO2 a siHa během nanášení polysilikonu při 550 až 550 tonOz kovu. oxid je termodynamicky stabilnější s8 ukazuje XPS spektra rozhraní polysilikonu Na rozdíl od Zro zůstává film HfO film stabilní po nanesení polysilikonu a po žíhání v dusíku až do 950C
Obvody v pevné fázi TechnologiSi 2pPoly dep2/800CCYD Zro7518018519096100104108Fig7[141,()AgN28001216202452452853253696100b kovy Silicates-2100b Kovové silikáty-O2100bA může udržovat amdhasu až do střední teploty, jako je 800 C v závislosti na koncentraci křemíku
Tyto kovové silikáty jsou termodynamicky stabilní s křemíkovým substrátem Obrázek 9 ukazuje TEM průřezy hradlové sady složené z křemičitanu ZrSi,Oy naneseného na křemíkovém substrátu s hliníkovou kovovou elektrodou Mezi rozhraním se netvoří žádná mezifázová vrstva, která je atomově ostrá a film je téměř viditelný fázový separátor skryl dielektrický konstaner než kandidáti na oxidy kovů, jako jsou
to Advances s amos TacngolsgieFig9[21,22]Pulse MecPurge s N2*,I Pulse h,oMeCln+xH,oMeoIClPurge withRepecy2
13 Techniky vysokok dielektrické depozice Důležitým faktorem při určování konečného výběru highk dielektrika je depoziční proces, který musí být kompatibilní se současnými CMOSg, náklady a propustností InOCVDI a OH zabarvenými do filmu. dobré fong nové materiály Nicméně typická epitaxe cílového a plaolekulárního paprsku (MBE kontrola, ale propustnost je ukládání atomové vrstvy (ALD) má vysokou kontrolu uniformity a dobrou konformitu
Technologie obvodů v pevné fáziPotenciální kontaminace nečistotami Cl, C, H a OH je také souhrnem, stejné materiály s vysokým obsahem k vyráběné diffpozičními nástroji, procesy a výsledkem jsou různé vlastnosti. výkon zařízení a problémy s integrací zařízení [171závislost na velikosti zařízení Při 2 V hustota svodového proudu pro 14 umNMOS (PMOS9x(X) u zařízení 1 4 um Obrázek 12 ukazuje TEM průřez kondenzátoru PMOS s delší délkou brány
Je jasné, že k tomu došlo na rozhraní polysilikon/ZrO2 Průřez TEM (obrázek 13) ukazuje, že ZrO2 vytváří vodivostní cestu, která má za následek vysoký svodový proud hradlem Delší délka hradla má za následek vyšší pravděpodobnost, že se vytvoří vodivé cesty1E +06PMOSNMOS1E+031E+00g=14 umE03L E-061E09Ig=142gPMOS CapacitorZr-silicidní noduly