МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 3, с. 184-194
ДИНАМИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 538.91
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В МДП-СТРУКТУРАХ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ КМОП-ТЕХНОЛОГИЙ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
© 2010 г. А. В. Зенкевич, Ю. Ю. Лебединский, Ю. А. Матвеев, Н. С. Баранцев, Ю. А. Воронов, А. В. Согоян, В. Н. Неволин, В. И. Чичков1, С. Спига2, М. Фанчулли2
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Государственный технологический университет Московский институт стали и сплавов 2Национальная лаборатория CNR-INFM-MDM "Materials and Devices for Microelectronics" (Италия)
e-mail:y.matveev@gmail.com Поступила в редакцию 08.07.2009 г.
Представлены некоторые результаты экспериментальных исследований последних лет новых материалов подзавторных диэлектриков и затворов для полевых МОП-транзисторов на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических слоев, соответственно. Кратко описана лабораторная технология изготовления функционального полевого транзистора на основе структуры TaN/LaAlO3/Si.
ВВЕДЕНИЕ
На протяжении последних 30-ти лет последовательное улучшение характеристик и уменьшение стоимости приборов микроэлектроники достигалось, путем уменьшения линейных размеров ("масштабирования") элементов логики и памяти в микросхемах, функциональная основа которых — комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП). Однако, несколько лет назад был достигнут важный технологический предел для дальнейшего уменьшения линейных размеров элементов логических и запоминающих устройств наноэлектроники, в частности, с проблемой неприемлемо высоких токов утечки сквозь подза-творный диэлектрик (8Ю2) при его толщинах меньше ~1.4 нм. Решение проблемы заключается в замене материала на основе 8Ю2 (8Ю2- на новый материал с большим коэффициентом диэлектрической проницаемости е (международный термин к^И-к, к = е), который обеспечит эквивалентную (по сравнению с 8Ю2) "электрическую" толщину при физически более толстых слоях [1, 2].
При этом, возникают проблемы при использовании сильнолегированного поликристаллического кремния в качестве материала электродов затвора, что связано с частичным обеднением затвора носителями в режиме аккумуляции, сравнительно высокого сопротивления и диффузии легирующих примесей из затвора в канал транзистора. Еще одной причиной может являться несовместимость материалов поликристаллического 81 и подзатвор-ного диэлектрика на основе оксидов металлов (в частности, НЮ2) из-за эффекта "захвата" уровня Ферми [3] затвора при контакте с (подзавторным)
диэлектриком, что приводит к увеличению напряжения срабатывания транзистора Vth. В связи с этим необходим переход на использование металлических затворов. Для логических устройств, изготовленных по КМОП-технологии, в качестве металлических затворов необходимо подобрать два материала с различной работой выхода в диапазоне WF = 4.1-4.3 эВ и WF = 4.8-5.1 эВ для n- и ^-транзисторов, соответственно. Для интеграции новых материалов подзатворных диэлектриков в сочетании с металлическими затворами в КМОП-технологию необходим огромный комплекс исследований, имеющих целью отобрать комбинацию материалов с жестким набором необходимых термодинамических, структурных и электрофизических свойств.
К настоящему времени, проводимые в мире в течение последних 5-7 лет исследования позволили не только идентифицировать классы функциональных комбинаций диэлектрических и проводящих материалов, но и разработать микропроцессор (Penryn) с проектной нормой 45 нм на их основе (согласно имеющимся данным, компанией Intel использована комбинация HfSiON/TaN, а для управления "эффективной" работой выхода металлического электрода в n-транзисторах используется маркерный диэлектрический слой La2O3 на границе раздела с затвором). Научные исследования по поиску материалов для более высоких ступеней технологий продолжаются. В настоящей работе представлены некоторые из полученных в течение последних 3-х лет результатов по синтезу и исследованию новых материалов МДП-структур нано-
Рис. 1. Схема исследовательского комплекса ИЛО—РФЭС—СРМИ на базе спектрометра XSAM-800 (Kratos).
размерной толщины, а также продемонстрирована их функциональность в полевом транзисторе.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
Для детального исследования новых материалов, предполагаемых к использованию в приборах наноэлектроники, изготовленных по КМОП-тех-нологии, необходимо исследовать всю комбинацию материалов в структуре, поскольку по мере масштабирования уменьшается толщина индивидуальных слоев (до толщин ~ нм), и все большую роль играют границы раздела функциональных слоев между собой, а также — с подложкой. В связи с этим, наиболее перспективен подход, при котором анализ электронной и кристаллической структуры, химического состояния, термической стабильности проводится in situ, т.е. в процессе роста сверхтонких слоев и дальнейших обработок всей МДП-структуры. В противном случае, в частности при стандартном химическом анализе МДП-структур, использование ионного травления может ввести в заблуждение, так как приводит к реакциям на границах раздела [4]. Для реализации этого подхода предпочтительно формировать сверхтонкие диэлектрические и проводящие слои в одном вакуумном объеме, в настоящей работе использовался метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО), инкорпорированный в аналитический комплекс на базе электронного спектрометра XSAM-800, который включает в себя возможность роста диэлектрических и металлических слоев, их отжига в
различных средах до Т = 1000°С в сочетании с анализом химического состава приповерхностных слоев методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и элементного состава поверхности — методом спектроскопии рассеяния ионов малых энергий (СРМИ) (рис. 1). Параллельно исследовались диэлектрические слои, выращенные методом химического синтеза из паровой фазы с атомным послойным осаждением (АПО, Atomic Layer Deposition, ALD), поскольку данный метод для роста сверхтонких сплошных конформных слоев оксидов имеет наилучшие перспективы использования в промышленности, и реализован у итальянских партнеров из Национальной лаборатории CNR-INFM-MDM ("Materials and Devices for Microelectronics" [5]).
Необходимо отметить, что большинство кандидатов на роль подзатворных диэлектриков на основе оксидов металлов являются прочными химическими соединениями и термически устойчивы до достаточно высоких температур. Однако, в контакте с полупроводником на границе раздела могут протекать реакции, приводящие либо к деградации диэлектрика, либо к образованию новых структур с другими электронными свойствами. Поэтому, большое внимание было уделено изучению химических реакций на границе раздела диэлектрических пленок с полупроводником, поскольку именно эти реакции и определяют термическую стабильность диэлектрика в контакте с полупроводником.
Среди различных материалов подзатворных диэлектриков HfO2 считается одним из наиболее перспективных. Большое внимание было уделено
HfO2(3 nm)/Si02(0.5 nm)/Si
Кристалически й Hf02
Аморфный Hf02
Si02
Si02
. Hf02
Si02
Si0
Si0 ^ Si0 '
cr. Hf02 /
Si02 f
Si
Hf0
После осаждения
600°С
900°С 900°С, продолжительно 950°С
Рис. 2. Иллюстрация к модели, описывающей кинетику деградации сверхтонких слоев НГО2 на 8102(0.5 нм)/81(100) в результате вакуумного отжига.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
исследованию его термодинамическим и электронным свойствам. Исследовались процессы формирования промежуточного слоя на границе раздела Hf02/Si02 при отжиге в присутствии кислорода. Методами РФЭС, СРМИ, сканирующей туннельной микроскопии и растровой электронной микроскопии были исследованы процессы деградации пленки Hf02 на поверхности Si при вакуумном отжиге. Проанализировав совокупность имеющихся экспериментальных данных, полученных in situ и ex situ, была предложена модель деградации сверхтонкого слоя Hf02 на Si во время отжига в вакууме (см. рис. 2) [6, 7]. В оксидах переходных и редкоземельных металлов при повышении температуры генерируется большое количество вакансий кислорода. При отжиге в вакууме концентрация вакансий кислорода еще более возрастает, и при определенной температуре (Т ~ 850°С) начинается их конденсация на структурных дефектах в слое Hf02, который к этому моменту уже кристаллизуется. В то же время около зон конденсации кислородных вакансий дефектный оксид Hf0x также частично десорбирует. Эти два процесса приводят к образованию нанопор, которые облегчают дальнейшую десорбцию Si0 из слоя на границе раздела с кремнием и, возможно, Hf0x. В результате, в окрестностях образовавшихся нанопор, где разрушен слой Si02 на границе раздела Hf02/Si, Hf начинает реагировать с кремнием, и на границе раздела образуются зародыши силицида гафния. Тот факт, что силицид Hf частично ориентирован в направлении (100) подложки Si, вырезанной в том же направлении (по данным ре-зерфордовского обратного рассеяния), подтверждает предположение, что силицид зарождается на границе раздела с Si, а не на поверхности Hf02. На
более поздней стадии кластеры НВ1Х укрупняются в поликристаллические зерна размером ~0.1 мкм, наблюдаемые при анализе методом сканирующей туннельной микроскопии.
Исходя из данной модели, можно также сделать заключение, что пленки НЮ2 с малым количеством примесей и загрязнений, либо сплавные пленки алюминатов или силикатов гафния, более термически стабильны, так как кристаллизуются при более высоких температурах.
Особый интерес в качестве подзатворных диэлектриков представляют оксиды редкоземельных металлов, которые обладают весьма высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (е « 20—25) и оптимальным взаимным расположением зон с кремнием. Для оценки их применимости для приложений в наноэлектронике необходимо выяснить их термодинамические свойства, в частности, реактивность в контакте с кремнием. Проведенное исследование сверхтонких слоев Ьи203 и УЬ203 [8, 9], выращенных на подложках 81 методом АПО, показало, что данные редкоземельные оксиды нестабильны на воздухе и конверти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.