9.7.3. High-k диэлектрик затвора

Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика важно в целях получения достоинств масштабирования, с точки зрения сокращения задержек устройств (CV/I). В самом деле, масштабирование толщины необходимо не только, чтобы получить большой управляющий ток транзистора, а также уменьшить описанные ранее короткоканальные эффекты. Толщина подзатворного оксида в современный устройствах для высокопроизводительных приложений (например, микропроцессоры) в настоящее время в определяетя в диапазоне 1-1,5 нм и прогнозируется, что эквивалентная толщина оксида будет снижена до 0,4-0,5 нм к 2016 году (Рис 9.24 или Таблица 9.2).

Толщина будет уменьшена лишь только до нескольких атомных слоёв, что приводит к большим токам утечки затвора из-за прямого туннелирования через оксид. Плотность тока утечки для SiO₂ толщиной 1,5 нм, составляет около на 1 В. Так как главным механизмом утечки через эти тонкие слои – это прямое туннелирование электронов, ток утечки экспоненциально зависит от толщины слоя. Уменьшение толщины оксида до 1 нм увеличит ток утечки до при 1 В.²⁶ Для использования в высокопроизводительных схемах обычно предполагается, что наименьшая используемая толщина оксида кремния составляет 0.8 нм.²⁰ Также, пленки оксинитрида, нитрида или совмещённые нитрид / оксинитрид, в ближайшее время будут представлять собой перспективное решение для высокопроизводительных устройств. Тем не менее, для маломощных приложений, где требуются меньшие токи утечки, плёнки оксида кремния толщиной меньше 1,5 нм дадут чрезмерные токи утечки, и будут необходимы альтернативные материалы, как для 80 нм техпроцесса (Таблица 9.2).² Одно из решений для увеличения тока утечки заключается в замене традиционного диэлектрического слоя SiO₂ на материал, который имеет большую диэлектрическую постоянную K, чем у оксида кремния. Это позволяет использовать слой, который имеет большую физическую толщину при сохранении малой эквивалентной физической толщины (или EOT),

(9.32)

где (=3.9) это диэлектрическая константа и это диэлектрическая константа фактического подзатворного диэлектика. Отмечается, что при использовании high-k материала, получают небольшую эквивалентную толщину оксида , даже если фактическая физическая толщина значительно больше.

Материалы, исследованные как потенциальные кандидаты, относятся к семейству бинарных оксидов металлов, таких как (К = 10), (К = 20), (К = 25), (К = 23) и другие.²⁷ Применение этих high-k материалов ставит серьезные задачи, заключающиеся в том, чтобы сделать эти материалы совместимыми с обычной технологией CMOS. Другими требованиями являются термическая стабильность и температура кристаллизации, коэффициент теплового расширения, который соответствует кремнию, низкие состояния ловушки на границе раздела диэлектрик-кремний, большая ширина запрещенной зоны и высокий энергетический барьер кремний-диэлектрик (см. Рис. 9.15b). Последнее важно, поскольку туннельный ток сильно зависит от высоты барьера. Эти пленки страдают от значительного количества ловушек и неподвижных зарядов, которые приводят к сдвигам напряжения плоских зон, вызывают проблемы с надежностью и уменьшение подвижности носителей. Кроме того, во многих случаях образуется тонкий пограничный слой (между кремниевой подложкой и материала с высоким K, что увеличивает эквивалентную толщину диэлектрика,

(9.33)

Таким образом, минимальный достижимая EOT (никогда не будет меньше, чем толщина оксида на границе раздела фаз. Это создает серьезное ограничение на максимальную емкость подзатворного high-K диэлектрика. Обработка этих материалов также представляет собой серьёзную проблему, так как совместимость с существующими технологиями CMOS имеет важное значение. Они могут быть осаждены различными способами, такими как металло-органическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD), атомно-слоевое (ALCVD) или распыление. Транзисторы с длиной затвора 50 нм с подзатворным диэлектриком , нанесённым с использованием ALCVD были продемонстрированы недавно.²⁸