EOT = |
εSiO2 |
dox,high−K , EOTelec = EOT + (xdG + xinv )(εSiO |
εSi ).(10.7.2) |
|
|||
|
εhigh−K |
2 |
|
|
|
||
Это эквивалентная толщина слоя SiO2 c удельной емкостью, такой же, как гораздо более толстый слой high-K диэлектрика. При равной удельной электрической емкости high-K диэлектрики обеспечивают существенно более низкий уровень туннельных утечек. Электрически эквивалентную толщину high-K можно сделать меньше, чем 1 нм, что невозможно для SiO2. Для технологической
нормы 70 нм (2006) и напряжении питания VDD =1.1В эквива-
лентная толщина EOT = 1.1 нм, и с учетом толщины области обеднения затвора и инверсионного слоя (~ 0.7 нм), получаем электрическую эквивалентную толщину окисла ~ 1.8 нм.
10.8. Проблемы использования high-K диэлектриков
Потенциальными кандидатами на роль подзатворного окисла являются окислы редкоземельных элементов (HfO2, ZrO2 ) с диэлектрическими проницаемостями ~ 20…25, а также сапфир
(Al2O3) ~11, SrTiO3 ~200, SiTi ~ 310 и др. (табл. 10.2).
Существует эмпирическая зависимость ширины запрещенной зоны от величины статической диэлектрической проницаемости
|
3 |
2 |
|
|
EG ≈ 20 |
|
|
. |
(10.8.1) |
|
||||
|
2 +εi |
|
|
|
238
Таблица 10.2
Список типичных high-K диэлектриков и их свойства
Материал |
Относительная |
Ширина |
Разрыв зон |
|
диэлектрическая |
запрещенной зоны |
|||
∆Ес (эВ) |
||||
|
постоянная |
(эВ) |
||
|
|
|||
SiO2 |
3.9 |
8.9 |
3.2 |
|
|
|
|
|
|
Si3N4 |
7 |
5.1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
Al2O3 |
9 |
8.7 |
2.8 |
|
|
|
|
|
|
Y2O 3 |
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 |
|
|
|
|
|
Чем больше проницаемость, тем меньше ширина запрещенной зоны и разрыв между краями зон проводимости кремния и изолятора EC (см. табл. 10.2 и рис. 10.10). Это плохо, поскольку при-
водит к забросу горячих носителей из канала в изолятор и деградации свойств последнего (зарядка, образование поверхностных состояний).
При использовании high-K диэлектриков возникает много проблем, а именно:
плохая граница раздела (дефекты, поверхностные состояния и т.п.) с кремнием и поли-Si затвором;
низкая подвижность в канале (приблизительно в 2 раза меньше, чем в обычном термическом SiO2);
плохая технологичность и стабильность.
239
Рис. 10.10. Энергетическая зонная диаграмма границы кремния и high-K диэлектрика
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, причем разные для n- и p-канальных транзисторов. Используя металлы с разными значениями работы выхода, можно подправлять в нужную сторону по-
роговое напряжение (work function engineering).
Низкая подвижность связана, во-первых, с сильной дефектностью и высокой плотностью поверхностных состояний на разделе high-K диэлектрика с кремнием. Для решения этой проблемы используется очень тонкий (1-2 атомных монослоев) разделительный буферный слой SiO2.
Во-вторых, в полярных окислах металлов (например, HfO2 или ZrO2) с высокой диэлектрической проницаемостью имеет место сильное рассеяние электронов на поверхностных колебаниях (т.н. 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. Повидимому, эта промышленная технология основана на экспериментальных образцах с металлическим затвором, о которых в 2003 г.
240
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.
10.9.Временной диэлектрический пробой подзатворного
окисла (TDDB)
В настоящее время считается, что диэлектрическая стойкость тонких подзатворных окислов является одной из главных проблем обеспечения надежности современных элементов МОП технологий. Основным механизмом отказов окислов является т.н. времен-
ной диэлектрический пробой (Time Dependent Dielectric Breakdown, TDDB), выражающийся в резком повышении проводимости окисла после некоторого времени функционирования в определенном электрическом режиме. Диэлектрический пробой вызывается токами утечки через микроскопические и макроскопические дефекты в окисле. Различают собственный (intrinsic) пробой, обусловленный стойкостью совершенного окисла, и привнесенный (extrinsic) пробой, зависящий от случайного наличия скрытых технологических дефектов (пылинка, микротрещина и т.п.) и слабых мест.
Максимальное значение пробойного напряжения окисла SiO2 составляет (~ 107 В/см). Реальные рабочие электрические режимы работы приборов соответствуют приблизительно половине максимального пробойного напряжения (~5×106 В/см). В процессе функционирования прибора в окисле проходят процессы деградации, приводящие в конце концов к пробою при напряжениях, существенно меньших максимальных. Время жизни (срок службы) окисла по отношению к TDDB сильно зависит от электрического поля в окисле и рабочей температуры (рис. 10.11).
241
Рис. 10.11. Зависимости времени диэлектрического пробоя от электрического поля для разных значений толщины окисла (Sze, 2007)
При прогнозировании надежности окислов существует проблема, аналогичная проблеме прогнозирования радиационной стойкости. Для того чтобы предсказывать долговременное поведение окисла при относительно низких затворных напряжениях, проводятся ускоренные испытания при высоких затворных смещениях, и иногда – при повышенных температурах. Адекватность таких испытаний до сих пор в полной мере не установлена, как и невыясненным до конца остается вопрос о микроскопическом механизме временного пробоя.
Ясно только, что пробой развивается в результате долговременных процессов «изнашивания» (wearout) окисла в условиях электрической нагрузки, которые, возможно, следует отделять от процессов старения (aging), происходящих просто при длительном хранении. Изнашивание является кумулятивным процессом и коррелирует с полным зарядом, протекающим через окисел за время электрической нагрузки. В частности, статистическая зависимость доли отказавших образцов в партии как функция полного заряда, прошедшего через окисел, определяется распределением Вейбулла.
Считается, что процессы изнашивания при электрической нагрузке выражаются в накоплении неких дефектов, скорость образования которых определяется либо электрическим полем (Е- модели), либо током, протекающим через окисел (1/Е –модели).
242