Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью

Применение:

1. подзатворный диэлектрик

2. диэлектрический материал в конденсаторных структурах ДОЗУ

3. диэлектрический материал в конденсаторных структурах в энергонезависимых ферроэлектрических ОЗУ,

С уменьшением размеров ИС происходит уменьшение толщины подзатворного диэлектрика. Для ИС с проектными нормами 0.13 мкм толщина подзатворного диэлектрика составляет 3.0 нм. Однако прямое туннелирование возрастает экспоненциально с уменьшением толщины, поэтому более тонкий оксид кремния не может использоваться для подзатворного диэлектрика.

Наиболее важные диэлектрические материалы

Диэлектрик	Диэлектрическая проницаемость	Ширина запрещенной зоны	Кристаллическая структура
PbLaTiO3 (PZT)	1000
BaSrTiO3 (BST)	300
Ta2O5	26	4.5	Орторомбическая
ZrO2	25	7.8	Моноклинная
HfO2	24	5.7	Моноклинная
Al2O3	9	8.7	Аморфная
Si3N4	7	5.1	Аморфная
SiO2	3.8	8.9	Аморфная

Конденсаторы

Конденсаторная структура ДОЗУ содержит диэлектрический материал между двумя обкладками. Со времени изобретения ДОЗУ в течение первых 30-ти лет в качестве конденсаторных диэлектриков использовались оксид кремния или нитрид кремния или комбинация этих материалов. В качестве материала обеих обкладок использовался поликристаллический кремний. Структуры, содержащие такие материалы называются SIS конденсаторы (Кремний-изолятор-кремний), По мере развития количество битов памяти в каждом кристалле увеличивалось, при этом площадь кремния, доступная для каждого кристалла памяти быстро уменьшалась, В то же время рабочее напряжение уменьшилось с 5 до 3 В (и возможно уменьшиться еще больше в будущем. Однако емкость заряда хранения для каждой ячейки памяти остается на уровне 30 фФ на ячейку (что соответствует 1-2•10⁶ электронов на ячейку). Имеется три причины, по которым количество заряда хранения не уменьшалось. Во-первых, такой заряд необходим для предотвращения происхождения случайных сбоев. Случайные сбои вызываются альфа-частицами, излучаемыми естественным образом следами радиоактивных примесей в сборочных материалах или космическими лучами. Такие космические лучи генерируют в кремнии неосновные носители заряда, чей заряд может изменить состояние памяти. Использование в ячейке памяти заряда хранения величиной 30 фФ на ячейку позволяет поддерживать низкую вероятность случайных сбоев. Во-вторых, по мере развития ДОЗУ детектирующая способность усилителей считывания ДОЗУ оставалась на том же уровне. Таким образом, каждая ячейка должна иметь примерно такую же емкость заряда хранения, для того, чтобы обеспечить возможность считывания состояния ячейки.

Корона из поликремния с полусферическими зернами (HSG)

Многослойное ребро (этажерка)

Многослойная корона

Простая корона

Простой стек

Планарный

«Чашка»

Рисунок . Развитие конденсаторов для ДОЗУ

До настоящего времени для поддержания такого уровня заряда хранения использовались три метода. Во-первых, использовали трехмерные структуры для увеличения площади поверхности ячейки (такие как канавочные конденсаторы или стековые конденсаторы). Во-вторых, для формирования конденсаторного диэлектрика использовались более тонкие слои. И, наконец, для увеличения площади поверхности обкладок примерно в два раза осуществлялось за счет использования для нижнего электрода поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью. Это достигалось за счет выращивания поликристаллического кремния с большими сферическим зернами – так называемыми полусферическими кремниевыми зернами (hemispherical silicon grain - HSG).

Однако при дальнейшем уменьшении размеров ячейки использовании трехмерных структур и тонких пленок оксида и нитрида кремния уже не позволяет получить требуемую величину заряда хранения. Минимальная толщина составного диэлектрика оксид-нитрид-оксид (ONO) составляет 5 нм. В более тонких пленках туннельные токи приводят к чрезмерным утечкам. Комбинации таких ONO пленок совместно с поликристаллическим кремнием с полусферическими зернами используется для производства ДОЗУ с проектными нормами 0.18 и 0.15 мкм.

При производстве ДОЗУ 256 Мбит утечки из-за использования сверхтонких конденсаторных диэлектриков стали неприемлемо высокими, поэтому начали использовать диэлектрики с более высокой диэлектрической проницаемостью (смотри таблицу ). Широкое применение нашел Ta₂O₅, который имеет диэлектрическую проницаемость. Ta₂O₅ может быть получен различными методами, включая ХОГФ, ХОГФ из металлоорганики, напыление и анодизацию. Однако для ДОЗУ емкостью 4Гбит пленки Ta₂O₅ уже не обеспечивают достаточного увеличения емкости ячейки памяти. В этом случае рассматривается использование сложных диэлектриков барий-стронций-титанат (BST) и свинец-цинк-титанат (PZT), которые имеют диэлектрическую проницаемость в несколько сотен.

Однако имеются некоторые трудности при интегрировании этих диэлектриков в технологический процесс изготовления ДОЗУ. Во-первых, отметим, что нижний электрод конденсатора ДОЗУ является запоминающим узлом, а нижний электрод называется анодным электродом. Традиционно для нижнего электрода использовался легированный поликристаллический кремния, а для нижнего электрода либо поликристаллический кремний, либо металл. Если верхний электрод из поликристаллического кремния, конденсатор называется SIS конденсатор (кремний-изолятор-кремний), а если верхний электрод металлический, то конденсатор называется MIS конденсатор (металл-изолятор-кремний). В любом случае поликристаллический кремний используется для формирования, по крайней мере, одного электрода. Однако поликристаллический кремний имеет проблему, заключающуюся в том, что он склонен к образованию слоя оксида кремния на границе раздела поликремний/диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью во время шагов формирования или отжига диэлектрика. Этот слой оксида кремния на границе раздела может вызвать уменьшение эквивалентной толщины оксида кремния, что в свою очередь приведет к уменьшению емкости ячейки памяти. В связи с этим для формирования электродов конденсаторов хранения был рассмотрен ряд других материалов, включая алюминий, иридий, платина, рутений, нитрид тантала, нитрид титана и вольфрам. В случае, если обе обкладки конденсатора изготовлены из металлических пленок, такой конденсатор называется MIM (металл-изолятор-металл).

BST является несовместимым материалом с поликремнием, алюминием и нитридом титана, так как он содержит большое количество кислорода и требует проведения высокотемпературного отжига в среде кислорода. Поэтому алюминий не может использоваться в качестве обкладок конденсатора. Поликристаллический кремний будет окисляться или вступать в реакцию с кислородом, который может выделяться из BST или с кислородом, присутствующим в окислительной среде. Нитрид титана не является стабильным в окислительной среде при температурах выше 500 С. Использование платины затруднено, так как она является химически инертным металлом и плохо поддается сухому травлению. Возможно использования рутения и оксида рутения, которые относительно легко травятся. Однако BST и рутений не являются стандартными материалами в производстве ДОЗУ, что требует проведения разработки процессов для введения их в технологический процесс изготовления ДОЗУ.

Оксид гафния (HfO₂) в последнее время активно исследуется для применения в качестве подзатворного диэлектрика. Он обладает превосходными свойствами, а именно: высокой диэлектрической проницаемостью (24-40), хорошая термическая стабильность в контакте с кремнием. Кроме того, оксид гафния очень стоек к диффузии примесей и перемешиванию на границе раздела кремний/диэлектрик из-за его высокой плотности (9.68 г/см³). Оксид гафния может формироваться либо напылением, либо ХОГФ с быстрым термическим нагревом.