High-k-Dielektrikum
AlsHigh-k-Dielektrikumwird in derHalbleitertechnikein Material bezeichnet, das eine höhereDielektrizitätszahlaufweist als herkömmlichesSiliciumdioxid(εr= 3,9) oderSiliciumoxinitride(εr< 6).
Die Bezeichnung „high-k“ist dem Englischen entlehnt, wo die Dielektrizitätszahl häufig mit(Kappa), bei Fehlen dieses Symbols auch mitk,bezeichnet wird.
Gründe für den Einsatz von High-k-Dielektrika
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Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern, beispielsweise den Stromverbrauch vonhochintegrierten Schaltkreisenund Speichern zu verringern oder höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Strukturen verkleinert. Durch die fortschreitendeMiniaturisierungmikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an die physikalischen Grenzen und ist mit höheren Verlustströmen durchquantenmechanischeEffekte konfrontiert. So steigt derTunnelstrommit der Verringerung der Gatedielektrikumsdickeunter 2 nm stark an. Vor allem für die Speicherherstellung sind großeKapazitäten(zur Speicherung des Zustandes zwischen denRefreshzyklen) mit niedrigen Leckströmen (Verlustleistung) wichtig. Die Kapazitäteines einfachen Plattenkondensators beträgt zum Beispiel
Dabei istder Plattenabstand,die Fläche derKondensatorplatten,diePermittivitätdesVakuumsund die Materialkonstantedierelative Permittivitätder Isolationsschicht.
Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres) die Dicke derIsolatorschichtinMetall-Isolator-Halbleiter-Strukturen(durch SiO2häufig auchMOSgenannt) bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wodurch Leckströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden. Für den Vergleich werden die (kapazitiven) Eigenschaften solcher Schichten häufig zu einem Parameter zusammengefasst, derequivalent oxide thickness(EOT, dt. „äquivalente Oxiddicke “).
Im Gegensatz dazu stehen dieLow-k-Dielektrika,die als Isolator zwischen den Leitbahnen eingesetzt werden und durch ihre niedrige Dielektrizitätszahl die entstehenden parasitärenKapazitätenverringern.
Materialien
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]| Material | Bandabstand in eV |
Kristallstruktur | |
|---|---|---|---|
| thermisches SiO2 | 3,9 | 8,9 | amorph |
| Si3N4 | 7 | 5,1 | amorph |
| Al2O3 | 9 | 8,7 | amorph |
| Y2O3 | 15 | 5,6 | kubisch |
| ZrO2 | 25 | 7,8 | mono.,tetrag.,kubisch |
| HfO2 | 25 | 5,7 | mono., tetrag., kubisch |
| La2O3 | 30 | 4,3 | hexagonal,kubisch |
| Ta2O5 | 26 | 4,5 | orthorhombisch |
| TiO2 | 80 | 3,5 | tetrag. (Rutil,Anatas) |
Es werden verschiedene Materialsysteme untersucht, wie amorphe Oxide vonMetallen(z. B.Al2O3,Ta2O5),Übergangsmetallen(z. B.HfO2,ZrO2) und MischoxideHafniumsilicatundZirconiumsilicat. Eine höhere Permittivität liefern auch Strontiumtitanat und Bariumtitanat. Einen weitergehenden Ansatz stellen kristalline OxideSeltener Erden(z. B. Pr2O3,Gd2O3und Y2O3) dar, die gitterangepasstes Wachstum und somit eine perfekte Grenzfläche (sehr geringe Anzahl vonGitterfehlern) zwischenHalbleiterund Isolator ermöglichen.
Beschichtung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Für die Herstellung dünner Schichten können sowohl Verfahren derphysikalischen(PVD) als auch derchemischen Gasphasenabscheidung(CVD) genutzt werden. Für sehr dünne Schichten im Dickenbereich weniger Nanometer kann beispielsweise dieAtomlagenabscheidunggenutzt werden. Wie bei allen anderen Beschichtungsverfahren auch werden bei der Prozessentwicklung die Abscheidungsbedingungen zunächst durch größere Variation der Anlagenparameter (Druck, Gasflüsse,Präkursor-Gase usw.) auf der jeweiligen Produktionsanlage empirisch ermittelt und anschließend in einerstatistischen Versuchsplanungfür die Fertigung optimiert. Die so ermittelten Prozessparameter sind anlagenspezifisch und generell nur sehr selten auf andere Anlagen übertragbar; durch die sehr hohen Anforderungen an den Beschichtungsprozess beziehungsweise die Schicht gilt dies oft auch für baugleiche Anlagen. In der Forschung kommt zur Prozessentwicklung bzw. -optimierung noch ein sogenanntes Material-Screeninghinzu, bei dem die Abscheidung einer gewünschten Schicht hinsichtlich der verwendeten Ausgangsgase (bei CVD-Verfahren) untersucht wird.
Als Ausgangsstoff für alle obigen Oxide und Mischoxide dienen bekannte, unter streng anaeroben Bedingungen relativ einfach herzustellende Komplexe der jeweiligen „Metalle “. Eine wichtige Bedingung für die Verwendung der Komplexe in der Halbleiterproduktion ist ein ausreichender Dampfdruck der Verbindung bei moderater Temperatur (ca. 300–600 °C). Meist werden bei Raumtemperatur flüssige Vorstufen bevorzugt. Im Einzelfall – HfCl4zur HfO2-Abscheidung – kommen aber auch Feststoffe mit ausreichend hohem Sublimationsdruck zum Einsatz.
Die Ausgangsstoffe für die Oxidabscheidung werden von spezialisierten Feinchemieunternehmen bzw. von Herstellern vonKatalysatorenfür die organische Synthese oder Kunststoffproduktion (z. B.Ziegler-Natta-Katalysatoren) produziert. Die Halbleiterindustrie bezieht die von ihr benötigten Kleinmengen meist über den Laborchemikalienhandel bzw. über mit ihr zusammenarbeitenden Zulieferer. Das Preisniveau für die Verbindungen ist hoch bis extrem hoch.
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony:High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations.In:Journal of Applied Physics.Band89,Nr.10,2001,S.5243–5275,doi:10.1063/1.1361065(guter Review-Artikel zu High-k-Dielektrika).
- J. Robertson:High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors.In:Reports on Progress in Physics.Band69,Nr.2,2006,S.327–396,doi:10.1088/0034-4885/69/2/R02.
- Samares Kar et al. (Hrsg.):Physics and Technology of High-K Gate Dielectrics(mehrere Bände). The Electrochemical Society, 2003–2008.
Weblinks
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- www.intel.com:"High-k and Metal Gate Research"– Nanotechnologie-Seite vonIntelmit diversen High-k-Artikeln (engl.)
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑H. Huff, D. Gilmer:High Dielectric Constant Materials. VLSI MOSFET Applications.Springer, Berlin 2004,ISBN 3-540-21081-4,S.263.