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).

Таблица 7.1

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	7	5,1	2
A12O3	9	8,7	2,8
Y2O3	15	5,6	2,3
La2O3	30	4,3	2,3
Ta2O5	26	4,5	1-1,5
TiO2	80	3,5	1,2
HfO2	25	5,7	1,5
ZrO2	25	7,8	1,4

Рис.7.13 Энергетическая зонная диаграмма границы кремния и high-K диэлектрика

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 2раза 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 в КМОП структуре имеются транзисторы 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 затворовп-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.