Використання гетероепітаксійних кремнієвих структур

 

Протягом останніх 15 років корпорація Intel являється галузевим лідером в області створення діелектриків затворів транзисторів на основі діоксиду кремнію (SiO₂). Провідні позиції корпорації підтверджуються розробкою семи поколінь логічних виробничих технологій. Однак зі зменшенням розмірів транзисторів спостерігається збільшення витоку струму. Запобігання цьому витоку є найважливішим завданням для забезпечення надійної і швидкої роботи транзисторів і стає все більш важливим фактором при проектуванні мікросхем. Корпорація Intel зробила значний прорив на шляху вирішення проблем, пов'язаних з живленням мікросхем, і впровадила гафній, новий матеріал з високим показником діелектричної проникності k "high-k", в якості діелектрика затвору замість діоксиду кремнію. Крім того, корпорація Intel перейшла до використання нових металевих матеріалів для заміни полікремнієвих електродів затворів транзисторів NMOS і PMOS. Ці нові матеріали в поєднанні з новою виробничою технологією дозволяють зменшити витік потужності на затворі більш ніж у 100 разів, забезпечуючи при цьому рекордну продуктивність транзисторів. Щоб досягти таких виняткових показників дослідники напівпровідникових технологій корпорації Intel випробували більше 100 сполучень різних матеріалів [18, 19].

Щоб створити транзистори нового покоління, корпорація Intel розробляє нові матеріали, які демонструють потенційну можливість заміни діелектриків затворів з діоксиду кремнію, в яких при зменшенні розмірів стає все складніше запобігти витоку потужності. Цей клас матеріалів, званий high-k, замінить використовуваних зараз технологій на основі діоксиду кремнію і буде використовуватися протягом декількох поколінь.

Позначення "high-k" означає високий показник діелектричної проникності. За допомогою цього показника вимірюється обсяг заряду, який може зберегти будь-який матеріал. Різні матеріали мають різні значення діелектричної проникності. Еталонним матеріалом для цього показника є повітря, для якого значення "k" дорівнює одиниці. Матеріали класу "High-k", такі як діоксид гафнію (HfO2), діоксид цирконію (ZrO2) та діоксид титану (TiO2) мають значення діелектричної проникності вище 3,9 значення для діоксиду кремнію [18].

 

Рис. 4.1. Звичайний та новий high-k транзистори [18]

 

Після багаторічних досліджень корпорація Intel підібрала відповідний матеріал high-k і відповідні матеріали електродів затворів, що дозволяють досягти рекордної продуктивності транзисторів NMOS і PMOS. Перейшовши на новий матеріал high-k, корпорація Intel змогла зберегти показники робочого струму на тому ж рівні, що і для старих матеріалів, і, при цьому, вирішити проблему витоку потужності.

Всі виробники напівпровідникових пристроїв постійно стикаються з проблемою перегріву мікросхем, що експоненційно зростає зі збільшенням кількості транзисторів. Скорочення витоку потужності, завдяки використанню нових матеріалів high-k, є одним з найважливіших кроків для охолодження транзисторів. Оскільки діелектрики затворів high-k можуть бути в кілька разів товщі, вони знижують витік потужності на затворі більш ніж у 100 разів, в результаті чого пристрої випромінюють менше тепла. Одночасно з цим корпорація Intel спроектувала і продемонструвала металеві електроди затворів, встановлювані поверх діелектриків і сумісні з діелектриками high-k [19].

Перехід на новий матеріал стане одним з найбільш значних досягнень в області еволюції МОП-транзисторів, де діелектрики затворів з діоксиду кремнію використовувалися з моменту їх появи в 60-х роках минулого століття. Для нового матеріалу high-k корпорації Intel буде потрібно нова виробнича технологія, що дозволяє наносити шари товщиною в одну молекулу. Результати початкових досліджень вже реалізовані в 45-нанометровій виробничій технології, однак корпорація Intel продовжує дослідження з метою створення другого покоління матеріалів high-k [19, 20].

ВИСНОВКИ

 

1. Під час виконання курсової роботи було вивчено загальну характеристику процесу епітаксії та методи її проведення. Епітаксія — це метод осадження монокристалічної плівки на монокристалічну підкладку, при якому кристалографічна орієнтація шару, який осаджують, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки. Осаджена плівка називається епітаксійною плівкою або епітаксійним шаром. Епітаксія може відбуватися з газової (газофазна), рідинної (рідко) та твердої (твердофазна) фаз. Перевагою першого та другого методів над третім є простота виготовлення та менша трудозатрачуваність.

2. В залежності від матеріалу епітаксійного шару та підкладки розрізняють гомоепітаксію та гетероепітаксію. При гомоепітаксії хімічний склад шару і підкладки співпадають, наприклад, при осадженні кремнієвого шару на кремнієву підкладку. При гетероепітаксії хімічні склади епітаксіяльного шару та підкладки різні. Проте тип та основні параметри кристалічних решіток повинні бути однаковими.

3. Гетероепітаксія дозволяє отримувати гетеропереходи, які володіють специфічними електрофізичними характеристиками.

4. Епітаксія на діелектричних та металічних підкладках відкриває великі можливості для розробки нових типів мікросхем.

5. Гетероепітаксія кремнію на ізолюючих підкладках являється одним з перспективних напрямків в технології інтегральних мікросхем, так як в цьому випадку природним шляхом вирішується проблема ізоляції елементів схеми на підкладках.

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

 

1. Готра З.Ю. Технологія електронної техніки: Навч. Посібник: у 2 т. /
З.Ю. Готра. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2010. – Т.1. – 888 с.

2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ./ Под ред. А.В. Шальнова / И. Броудай, Дж. Мерей. — M.: Мир, 1983. — 494 с.

3. Ефимов И.Е. Основы микроелектроники: Учебник. 3-е изд., стер. / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь.– СПб.:Издательство «Лань», 2008. – 384 с.

4. Закалик Л. І. Основи мікроелектроніки. Навчальний посібник. / Л.І. Закалик, Р.А. Ткачук.– Тернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 1998. –352 с.

5. Епітаксійні шари GaAs отримані газофазною хлоридною епітаксією з використанням галієвого джерела легованого ітербієм / С.І. Круковський, Д.М. Заячук, І.О. Мрихін та ін. //Фізика і хімія твердого тіла. – 2009. – Т. 10, №3. – С. 594-597.

6. Богданович Б.Ю. Технологии и методы исследования структур КНИ. / Б.Ю. Богданович. – М.: МИЭТ, 2003. – 288 с.

7. Андрєєв В.М. Кремниевые структуры для приборов микроелектроники. / В.М. Андрєєв, Д.В. Зинов'єв. – М.: МИЭТ, 2006 – 346 с.

8. Козлов Ю.Ф. Структура кремний на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение. / Ю.Ф. Козлов, В.В. Зотов. – М.: МИЭТ, 2004 – 287 с.

9. Палатник Л.С. Эпитаксиальные пленки. / Л.С. Палатник, И.И. Папиров. – М.: Наука, 1971 – 480 с.

10. Палатник Л.С. Механизм образования и структура конденсированных пленок. / M.Я. Фукс, В.M. Косевич. – M.: «Наука», 1972 —318 с.

11. Електромеханічні, терморезистивні і фотоелектричні перетворювачі на основі монокристалів системи Si-Ge / Р.І. Байцар, С.С. Варшава, Е.П. Красноженов та ін. // Журнал неорганічних матеріалів. – 1996. – Т.8, №7. – С. 789-793.

12. http://journals.ioffe.ru/ftp/2010/10/p1433-1435.pdf - Рекристаллизация с границы раздела кремний - сапфир как новый метод получения структурно совершенных пленок кремния на сапфировой подложке, дата доступу: 20.11.2012 р.

13. A one dimentional SiGe superlattice grown by UHV epitaxy / E. Kasper, H.J. Herzog // Appl.Phys. – 1975. – V.1, №8. – P. 199.

14. Fabrication of n- and p-channel in-plane-gate transistors from Si/SiGe/Ge heterostructures by focused laser beam writing / M. Holzmann, P. Baumartner, C. Engel //Appl.Phys. Lett. - 1996.- V.6, №21 - P. 3025-3027.

15. Pseudomorphic growth of Ge_xSi_1-x on silicon by molecular beam epitaxy / J.C. Bean, T.T. Shang //Appl.Phys.Lett. – 1984. – V. 4, №44. – P.102.

16. Growth contol of Ge_xSi_1-x/Si strained layer superlattice by the RHEED intencity oscillation / T. Sakamoto, K. Sacamoto, H. Oyange //Journal Phys. Paris. – 1987. – V. 7, №48. – P.5-333.

17. Non-ideal current-voltage characteristics in MBE-grown Si_1-XGe_x/Si heterojunction bipolar transistors / V. Roberts, D. Allsopp //Semicond. Sci. And Technol. – 1996. – V. 9, №9. - P.1346-1353.

18. http://www.intel.com/cd/corporate/techtrends/emea/rus/376689.htm - Исследования в области диэлектриков High-k и металлических затворов, дата доступу: 23.11.2012 р.

19. http://citforum.ru/hardware/microcon/45_nm/ - 45 нм: все только начинается, дата доступу: 23.11.2012 р.

20. http://www.3dnews.ru/cpu/intel_penryn/ - Intel Penryn: первые 45 нм процессоры, дата доступу: 24.11.2012 р.