Толщина подзатворного диэлектрика - одна из основных проблем дальнейшей миниатюризации моп- транзистора.

Более 30 лет в качестве подзатворного диэлектрика используется SiO₂. С каждым новым поколением КМОП ИС толщина подзатворного диэлектрика уменьшалась и достигла в настоящее время для передовых современных технологических процессов менее 40 Å. Это уменьшение связано, прежде всего, с необходимостью подавлять короткоканальные эффекты при миниатюризации транзистора. На рис.2. приведена зависимость отношения длины канала транзистора к толщине подзатворного окисла от длины канала. Данные относятся к технологическим процессам изготовления микропроцессоров кампании Intel за последние 20 лет. Из этой зависимости можно определить простое соотношение между толщиной окисла T_OX и минимальной длиной канала L_E, ограниченной эффектами короткоканальности:

L_E=45*T_OX (1)

Объясняется такая тенденция следующим. Короткоканальное поведение транзистора определяется соотношением длины канала и ширины области обеднения, которая в свою очередь пропорциональна квадратному корню концентрации примеси. С уменьшением длины канала необходимо увеличивать эту концентрацию, что ведет к увеличению величины порогового напряжения транзистора. Для сохранения этой величины необходимо уменьшать толщину подзатворного окисла.

Таким образом, уменьшение длины канала МОП транзистора должно сопровождаться уменьшением толщины его подзатворного диэлектрика. На рис.3 показана тенденция уменьшения эффективной толщины подзатворного диэлектрика в зависимости от технологического поколения КМОП ИС. На графике показан предел использования в качестве материала подзатворного диэлектрика SiO₂.

По мере того, как толщина подзатворного окисла становилась в процессе эволюции КМОП технологии тоньше, технологические проблемы в связи с этим возрастали. К таким проблемам можно отнести уменьшение вариации толщины окисла по кремниевой пластине, особенно при переходе на пластины большего диаметра, подавление проникновения примесей (в частности бора) из затвора в канал транзистора через подзатворный диэлектрик. Кроме того, при уменьшении толщины окисла встали вопросы о надежности и сохранении времени наработки на отказ транзисторов изготовленных с такими ультратонкими окислами.

Вкачестве примера сложности подобных технологических задач можно привести пример из требований к вариации толщины окисла для транзисторов с длиной канала порядка 0.1.

Рис.2

Рис.2 Рис.3

Требуемая толщина подзатворного диэлектрика для подобного транзистора порядка 23 Ǻ., что требует высочайшей воспроизводимости процесса формирования окисла. Другая технологическая задача- подавить диффузию бора из затвора транзистора в канал для достаточно тонких (менее 80 Ǻ) подзатворных окисных пленок также успешно была решена путем легирования окисла азотом. Оксинитрид, сформированный на поверхности подзатворной окисной пленки эффективно подавляет диффузию бора, приводит к улучшению надежности подзатворного диэлектрика и несколько уменьшает эффективную толщину окисной пленки.

Таким образом, все чисто технологические проблемы, связанные с уменьшением толщины подзатворного диэлектрик успешно преодолевались с каждым новым технологическим поколением КМОП ИС. И сегодня практически освоены технологии формирования окисных пленок толщиной порядка 16 Ǻ на пластинах диаметром 200-300 мм, и не это, в конечном счете, является на сегодня лимитирующим фактором уменьшения толщины подзатворного диэлектрика. По мере уменьшения этой величины возникает новая проблема, связанная с квантово-механическим явлением – туннелированием носителей через окисел. На рис. 4 показаны зависимости токов утечки через подзатворный окисел от затворного напряжения при различных толщинах окисла. При затворном напряжении 1В, ток утечки возрастает от 10^-12 А/см² для 35 Å окисла до 10 А/см² для 15 Ǻ окисла: на двенадцать порядков при изменении толщины чуть более в два раза! В предположении того, что ток туннелирования равен току утечки сток-исток в отключенном состоянии, можно установить минимальную толщину подзатворного окисла, равную приблизительно 16 Ǻ. Однако в силу квантово-механических эффектов и обеднения затворного поликремния, как заряд инверсного слоя, так и затворный заряд расположены на некотором расстоянии, порядка 10 Ǻ, от границ раздела SiO₂/Si(Si*), что приводит к увеличению эффективной толщины подзатворного окисла приблизительно на 7 Ǻ.

Таким образом, предел толщины окисла в 16 Å, связанный с эффектами туннелирования, приводит к эффективной толщине подзатворного окисла 23 Å. Ограничение толщины SiO₂ в качестве подзатворного диэлектрика приводит к ограничению длины канала транзистора. На рис.5 показана зависимость ширины затвора, и длины канала транзистора от эффективной толщины подзатворного окисла [3], из которого видно, что предел использования SiO₂ в качестве подзатворного диэлектрика наступает соответственно для затворной ширины и длины канала –0.1 мкм и 0.06 мкм.

Учитывая то, что для передовых технологических процессов ширина затвора всегда несколько меньше разрешения литографии, предел использования SiO₂ в качестве подзатворного диэлектрика наступит с освоением 0.13-мкм технологических норм, осваиваемых в настоящее время лидирующими производителями электронных компонентов.

Помимо этого ведутся также интенсивные исследования по поиску новых альтернативных материалов с высокой диэлектрической постоянной для использования их в качестве подзатворного диэлектрика. Такие материалы, позволяют увеличить толщину подзатворного диэлектрика с теми же характери стиками инверсного слоя транзистора. Более толстый слой подзатворного диэлектрика позволит предотвратить туннелирование носителей. Тем самым возможно дальнейшее уменьшение эффективной толщины подзатворного диэлектрика.

Рис.4 Рис.5

Под эффективной толщиной, в данном случае подразумевается толщина подзатворного диэлектрика в пересчете на толщину SiO₂:

_x

t_x = t_eq  , (2)

_ox

где t_x и t_eq соответственно эффективная эквивалентная толщина окисла и физическая толщина подзатворного диэлектрика, _x и _ox – диэлектрические постоянные нового диэлектрика и окисла.

Ток утечки через подзатворный окисел экспоненциально зависит от толщины, в то время как емкость, которую необходимо увеличивать для подавления эффектов короткоканальности, имеет линейную зависимость. На первый взгляд существенное уменьшение туннельного тока возможно путем незначительного увеличения толщины. Однако, другая составляющая туннельного тока, дающая экспоненциальный вклад, высота потенциального барьера между катодом и зоной проводимости диэлектрика. Для большинства диэлектриков, туннельный ток экспоненциально зависит от высоты этого барьера. Поэтому в качестве альтернативы окислу требуются диэлектрики не только с высокой диэлектрической постоянной, но и с достаточно широкой запрещенной зоной и образующие с материалом катода достаточный потенциальный барьер.

В качестве замены окислу в настоящее время предложен ряд материалов. Прежде всего, это нитрид кремния, имеющий небольшое преимущество перед окислом, и оксиды металлов Tа₂O₅ и TiO₂. В качестве альтернативы окислу предложены также Y₂O₃, CeO₂, ZrO₂, HfO₂, Al₂O₃, а также ферромагнетики, такие как BST (композиция на основе титаната бария и титаната стронция).

Наиболее близки к завершению работы по использованию нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика. Основная трудность, которую нужно преодолеть, электрическая нестабильность этого материала. Как известно, нитрид кремния накапливает достаточно большой положительный заряд, который может быть нестабильным при приложенном напряжении, что может приводить к деградации работы транзистора. Также известно, что подобные пленки накапливает большое количество водорода, что оказывает влияние на надежностные характеристики подобного подзатворного диэлектрика. К тому же, граница Si3N4/Si имеет большую концентрацию поверхностных состояний, которые приводят к существенному ухудшению характеристик МОП-транзистора. Частично эти проблемы решаются введением буферного слоя из окисла, однако это позволяет уменьшить эффективную толщину подзатворного окисла только на 30% . Из наиболее перспективных методов формирования ультратонких нитридных пленок для подзатворных слоев являются на сегодня плазменное осаждение вне зоны разряда, однако подобная технология является новой для полупроводниковой промышленности, и при серийном ее использовании могут возникнуть проблемы, связанные с качеством, однородностью и воспроизводимостью осаждаемых пленок.

Из других альтернативных предлагаемых материалов с высокой диэлектрической постоянной практически все и особенно Tа₂O₅ , TiO₂ и BST не обладают необходимой температурной стабильностью на кремнии. Эти материалы требуют создания буферных слоев, так как взаимодействуют с кремнием, образуя при этом SiO₂, при необходимых последующих термических операциях в КМОП-процессе. Наличие прослойки SiO_x и других буферных слоев из материалов с меньшей диэлектрической постоянной значительно снижает эффективную емкость пленки, и таким образом, крайне нежелательно. Применение этих материалов, по тем же причинам, требует также создания буферного слоя с затворным поликремнием, в противном случае необходимо отказаться от его использования. Поскольку в глубоко субмикронной КМОП технологии в качестве материала затвора необходимо использовать два типа поликремния с различными работами выхода, соответственно, потребуется и два типа подходящих металлов в качестве материала затвора. Если же и эта задача будет решена, формирования всего подзатворной многослойной пленки должно быть перенесено в конец технологического маршрута по причине температурной нестабильности, выражающейся в изменении фазового состава материалов с высокой диэлектрической постоянной (следовательно, и свойств материала) при более низкой температуре, чем требуется для стандартного КМОП - процесса.

Таким образом, использование материалов с высокой диэлектрической постоянной в качестве подзатворного диэлектрика представляется достаточно сложной задачей, поскольку требует не только поиск, исследование и постановки технологий формирования этих материалов, но и полной переработки всего КМОП-технологического процесса.