Chất điện môi cổng có hệ số điện môi cao: Tình trạng hiện tại và các cân nhắc về tính chất vật liệu

Journal of Applied Physics - Tập 89 Số 10 - Trang 5243-5275 - 2001
G. D. Wilk1,2, Robert M. Wallace3, J. Anthony4
1Agere Systems, Electronic Device Research Laboratory, Murray Hill, New Jersey 07974
2LSI Logic Corporation
3University of North Texas, Department of Materials Science, Denton, Texas 76203
4University of South Florida, Center for Microelectronics Research, Tampa, Florida 33620

Tóm tắt

Nhiều hệ thống vật liệu hiện đang được xem xét như là những ứng cử viên tiềm năng để thay thế SiO2 làm vật liệu điện môi cổng cho công nghệ bán dẫn metal-oxide–semiconductor (CMOS) dưới 0,1 μm. Việc xem xét hệ thống các tính chất cần thiết của điện môi cổng cho thấy rằng các hướng dẫn chính để chọn một chất thay thế điện môi cổng là (a) độ điện môi, khoảng cách năng lượng, và sự liên kết băng với silicon, (b) tính ổn định nhiệt động học, (c) hình thái lớp phim, (d) chất lượng giao diện, (e) sự tương thích với các vật liệu hiện tại hoặc dự kiến sẽ được sử dụng trong quá trình chế tạo các thiết bị CMOS, (f) khả năng tương thích quy trình, và (g) độ tin cậy. Nhiều loại điện môi có vẻ thuận lợi trong một số lĩnh vực này, nhưng rất ít vật liệu hứa hẹn đáp ứng tất cả các hướng dẫn này. Một bài tổng quan về công việc hiện tại và tài liệu trong lĩnh vực điện môi cổng thay thế được đưa ra. Dựa trên các kết quả đã báo cáo và những cân nhắc cơ bản, các hệ thống vật liệu giả nhị phân cung cấp sự linh hoạt lớn và cho thấy triển vọng nhất trong việc tích hợp thành công vào các điều kiện chế biến dự kiến cho các công nghệ CMOS tương lai, đặc biệt do xu hướng của chúng trong việc hình thành ở giao diện với Si (ví dụ: silicat). Những hệ thống giả nhị phân này cũng cho phép sử dụng các vật liệu có hệ số điện môi cao khác bằng cách đóng vai trò như một lớp điện môi cao ở giao diện. Mặc dù công việc vẫn đang tiếp diễn, nhưng còn nhiều nghiên cứu vẫn cần thiết, vì rõ ràng rằng bất kỳ vật liệu nào muốn thay thế SiO2 làm điện môi cổng đều phải đối mặt với một thách thức lớn. Các yêu cầu về khả năng tương thích tích hợp quy trình đòi hỏi rất cao, và bất kỳ ứng cử viên nghiêm túc nào cũng chỉ có thể xuất hiện thông qua việc điều tra tiếp tục, sâu rộng.

Từ khóa

#chất điện môi cổng #vật liệu giả nhị phân #công nghệ CMOS #độ điện môi #khoảng cách năng lượng

Tài liệu tham khảo

1974, J. IEEE, SC–9, 256

1984, IEEE Trans. Electron Devices, 31, 452, 10.1109/T-ED.1984.21550

1999, Science, 285, 2079, 10.1126/science.285.5436.2079

1994, Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1994, 613

1998, IEEE Trans. Electron Devices, 45, 1246, 10.1109/16.678526

1999, Nature (London), 399, 758, 10.1038/21602

1998, Appl. Surf. Sci., 135, 137, 10.1016/S0169-4332(98)00286-4

2000, Phys. Rev. Lett., 85, 1298, 10.1103/PhysRevLett.85.1298

1999, Phys. Rev. Lett., 83, 2038, 10.1103/PhysRevLett.83.2038

1997, J. Appl. Phys., 81, 1606, 10.1063/1.363895

1996, Appl. Phys. Lett., 69, 2728, 10.1063/1.117692

1997, Appl. Phys. Lett., 71, 2764, 10.1063/1.120438

1996, IEEE Trans. Electron Devices, 43, 1233, 10.1109/16.506774

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1997, 930

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 615

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 55

VLSI Tech. Dig., 2000, 90

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 437

Proc.-Electrochem. Soc., 2000-2, p., 3

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 167

1997, Appl. Phys. Lett., 71, 3230, 10.1063/1.120299

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1996, 319

1997, Proc. IEEE, 85, 486, 10.1109/5.573737

Proc.-Electrochem. Soc., 2000-2, 365

1999, IBM J. Res. Dev., 43, 245, 10.1147/rd.433.0245

1999, Microelectron. Eng., 48, 395, 10.1016/S0167-9317(99)00413-X

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 441

2000, Semicond. Sci. Technol., 15, 455, 10.1088/0268-1242/15/5/304

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1995, 863

1998, IEEE Trans. Electron Devices, 45, 904, 10.1109/16.662800

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 449

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 1752, 10.1063/1.123677

Proc.-Electrochem. Soc., 2000, 33

1999, J. Appl. Phys., 86, 5757, 10.1063/1.371590

2000, Nature (London), 406, 1032, 10.1038/35023243

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 291, 10.1109/55.704403

1997, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 477, 203, 10.1557/PROC-477-203

1997, Appl. Phys. Lett., 70, 2288, 10.1063/1.119083

1997, J. Vac. Sci. Technol. B, 15, 1074

1999, IEEE Electron Device Lett., 20, 132, 10.1109/55.748911

1996, Appl. Phys. Lett., 69, 1270, 10.1063/1.117388

1997, J. Appl. Phys., 81, 6415, 10.1063/1.364422

1997, Surf. Sci. Lett., 387, L1057, 10.1016/S0039-6028(97)00469-X

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1996, 495

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 367, 10.1109/55.720188

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 967, 10.1063/1.123425

1998, J. Electrochem. Soc., 145, 2068, 10.1149/1.1838598

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 245

1999, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 567, 89, 10.1557/PROC-567-89

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 2005, 10.1063/1.123728

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 373

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 207, 10.1109/55.678546

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 75

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 65

1996, IEEE Trans. Electron Devices, 43, 1495, 10.1109/16.535340

IEEE Device Res. Conf. Tech. Dig., 1996, 108

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1997, 427

1991, IEEE Trans. Electron Devices, 38, 1419, 10.1109/16.81634

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 67

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 777

1998, Appl. Phys. Lett., 72, 2835, 10.1063/1.121473

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 423, 10.1109/55.728900

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 341, 10.1109/55.709635

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 441, 10.1109/55.728906

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 609

1998, Appl. Phys. Lett., 73, 1517, 10.1063/1.122191

1987, IEEE Trans. Electron Devices, ED–34, 1957

1987, J. Appl. Phys., 61, 2335, 10.1063/1.337945

1998, Mater. Sci. Eng., R., 22, 269, 10.1016/S0927-796X(97)00023-5

2000, J. Appl. Phys., 88, 850, 10.1063/1.373747

1998, Phys. Rev. Lett., 81, 3014, 10.1103/PhysRevLett.81.3014

1999, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 567, 415, 10.1557/PROC-567-415

1999, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 567, 427, 10.1557/PROC-567-427

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 1324, 10.1063/1.126023

2000, J. Vac. Sci. Technol. B, 18, 1653

2000, J. Vac. Sci. Technol. B, 18, 2139, 10.1116/1.1303737

1999, Appl. Phys. Lett., 75, 4001, 10.1063/1.125519

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 605

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 176, 10.1063/1.125694

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 223

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 645

1997, Appl. Phys. Lett., 71, 3802, 10.1063/1.120510

1999, J. Vac. Sci. Technol. B, 17, 970

1977, J. Appl. Phys., 48, 4729, 10.1063/1.323539

1988, IEEE Electron Device Lett., 9, 180, 10.1109/55.682

1987, Appl. Phys. Lett., 51, 919, 10.1063/1.98801

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 130, 10.1063/1.126899

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 2710, 10.1063/1.1320464

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 2385, 10.1063/1.1316073

2000, Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 653

1997, IEEE Trans. Electron Devices, 44, 104, 10.1109/16.554800

1999, J. Am. Chem. Soc., 121, 5220, 10.1021/ja984446f

1998, Chem. Vap. Deposition, 4, 9, 10.1002/(SICI)1521-3862(199801)04:01<9::AID-CVDE9>3.0.CO;2-3

1998, Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1998, 1038

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 137

1999, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 567, 355, 10.1557/PROC-567-355

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 3041, 10.1063/1.124058

1972, J. Cryst. Growth, 17, 298, 10.1016/0022-0248(72)90260-6

1977, Thin Solid Films, 41, 247, 10.1016/0040-6090(77)90312-1

1977, Thin Solid Films, 47, 109, 10.1016/0040-6090(77)90350-9

1979, J. Elec. Chem. Soc., 126, 1203, 10.1149/1.2129243

1986, IEEE Trans. Electron Devices, ED-33, 442

1972, J. Am. Chem. Soc., 55, 439

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 436, 10.1063/1.125779

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 145

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 27

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 502, 10.1063/1.125801

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 1885, 10.1063/1.1310635

2000, J. Appl. Phys., 87, 8615, 10.1063/1.373587

2000, J. Electrochem. Soc., 147, 3472, 10.1149/1.1393922

2000, J. Appl. Phys., 87, 1921, 10.1063/1.372113

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 133

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 39

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 1926, 10.1063/1.126214

2000, IEEE Electron Device Lett., 21, 181, 10.1109/55.830975

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 35

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 31

1991, Phys. Rev. B, 44, 1832, 10.1103/PhysRevB.44.1832

1998, Phys. Rev. Lett., 80, 5176, 10.1103/PhysRevLett.80.5176

1996, IBM J. Res. Dev., 40, 19, 10.1147/rd.401.0019

1989, J. Vac. Sci. Technol. A, 7, 1248, 10.1116/1.576263

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 2854, 10.1063/1.124036

2000, Appl. Phys. Lett., 76, 112, 10.1063/1.125673

2000, J. Appl. Phys., 87, 484, 10.1063/1.371888

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 19

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 1999, 149

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 23

1979, J. Non-Cryst. Solids, 34, 153, 10.1016/0022-3093(79)90033-4

1983, J. Non-Cryst. Solids, 47, 203

2000, J. Vac. Sci. Technol. B, 18, 1749, 10.1116/1.591465

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 1704, 10.1063/1.1308535

2001, Appl. Phys. Lett., 78, 1607, 10.1063/1.1355002

2001, Appl. Phys. Lett., 78, 1718, 10.1063/1.1356725

1968, Thin Solid Films, 2, 273, 10.1016/0040-6090(68)90034-5

1998, IEEE Trans. Electron Devices, 45, 1350, 10.1109/16.678572

1998, IEEE Electron Device Lett., 19, 385, 10.1109/55.720194

1998, Proc. SPIE, 3506, 65, 10.1117/12.323991

1999, IEEE Trans. Electron Devices, 46, 1537, 10.1109/16.772508

1993, J. Appl. Phys., 73, 348, 10.1063/1.353856

1999, Appl. Phys. Lett., 74, 1168, 10.1063/1.123476

2000, J. Vac. Sci. Technol. B, 18, 1785, 10.1116/1.591472

2000, Appl. Phys. Lett., 77, 2912, 10.1063/1.1320860

1984, J. Appl. Phys., 56, 147, 10.1063/1.333738

1996, J. Mater. Res., 11, 2757, 10.1557/JMR.1996.0350

1988, J. Appl. Phys., 64, 4711, 10.1063/1.341208

1998, Proc. SPIE, 3506, 49, 10.1117/12.323981

2000, IEEE Electron Device Lett., 21, 593, 10.1109/55.887476

2001, Appl. Phys. Lett., 78, 1134, 10.1063/1.1347402

1994, IEEE Trans. Electron Devices, 41, 228, 10.1109/16.277374

Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet., 2000, 445

2001, Appl. Phys. Lett., 78, 1604, 10.1063/1.1354161

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Applied Physics

Tập 89 Số 10

5243-5275

Thông tin tác giả