高誘電率誘電体

半導体業界では、高誘電率誘電体という用語は、二酸化ケイ素と比較して誘電率(κ、カッパ)が高い材料を指します。高誘電率誘電体は半導体製造プロセスで使用され、通常は二酸化ケイ素ゲート誘電体またはデバイスの別の誘電体層を置き換えるために使用されます。高誘電率ゲート誘電体の実装は、マイクロエレクトロニクス部品のさらなる小型化を可能にするために開発されたいくつかの戦略の1つであり、俗にムーアの法則の拡張と呼ばれています。

これらの材料は、「high-κ」（ハイ カッパ）ではなく、「high-k」（ハイ ケイと発音）と呼ばれることもあります。

二酸化シリコン( SiO ₂ ) は、数十年にわたってゲート酸化物材料として使用されてきました。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET) のサイズが縮小するにつれて、二酸化シリコンゲート誘電体の厚さは着実に減少し、ゲート容量(単位面積あたり) と駆動電流 (デバイス幅あたり) が増加し、デバイスのパフォーマンスが向上しました。厚さが 2  nm未満になると、トンネル効果によるリーク電流が大幅に増加し、消費電力の増加とデバイスの信頼性の低下につながります。二酸化シリコンゲート誘電体を高誘電率材料に置き換えると、ゲートの厚さを増やすことができるため、関連するリーク効果なしにゲート容量を減らすことができます。

MOSFETのゲート酸化膜は平行板コンデンサとしてモデル化できます。Si基板とゲートからの量子力学的効果と空乏効果を無視すると、この平行板コンデンサの容量 Cは次のように表されます。

${\displaystyle C={\frac {\kappa \varepsilon _{0}A}{t}}}$

どこ

• Aはコンデンサ面積である
• κは材料の比誘電率（二酸化ケイ素の場合は3.9 ）
• ε _{0 は}自由空間の誘電率である
• tはコンデンサの酸化物絶縁体の厚さである

リーク制限によりtのさらなる低減が制限されるため、ゲート容量を増やす別の方法として、二酸化シリコンを高誘電率材料に置き換えて κ を変更する方法があります。このようなシナリオでは、より厚いゲート酸化物層が使用される可能性があり、これにより構造を流れるリーク電流が低減し、ゲート誘電体の信頼性が向上します。

MOSFETのドレイン電流I _{D は}（漸進的チャネル近似を使用して）次のように表される。

${\displaystyle I_{D,{\text{Sat}}}={\frac {W}{L}}\mu \,C_{\text{inv}}{\frac {(V_{G}-V_{\text{th}})^{2}}{2}}}$

どこ

• Wはトランジスタのチャネルの幅です
• Lはチャネルの長さです
• μはチャネルキャリア移動度（ここでは一定と仮定）
• C _{inv は、}下層のチャネルが反転状態にあるときのゲート誘電体に関連する容量密度です。
• V _{G は}トランジスタゲートに印加される電圧である
• V _{th は}閾値電圧である

V _G − V _thの項は、信頼性と室温動作の制約により範囲が制限されています。これは、 V _{G が}大きすぎると、酸化物全体に望ましくない高電界が発生するためです。さらに、V _{th は}、酸化物リークの増加（つまり、高誘電率誘電体が利用できないと仮定）によるリーク電流とサブスレッショルド伝導によってスタンバイ電力消費が許容できないレベルまで上昇するため、約 200 mV 未満に簡単に下げることはできません。（しきい値を 200 mV に制限する業界ロードマップ^{[1]と Roy}ら ^[2]を参照してください）。したがって、この簡略化された要因リストによると、I _D,satが増加すると、チャネル長を短縮するか、ゲート誘電体容量を増やす必要があります。

二酸化シリコンのゲート誘電体を別の材料に置き換えると、製造プロセスが複雑になります。二酸化シリコンは、下にあるシリコンを酸化することで形成でき、均一でコンフォーマルな酸化物と高品質のインターフェースを確保できます。その結果、開発努力は、製造プロセスに簡単に統合できる、必要な高誘電率を持つ材料を見つけることに集中してきました。その他の重要な考慮事項には、シリコンへのバンドアラインメント（リーク電流を変える可能性があります）、膜の形態、熱安定性、チャネル内の電荷キャリアの高い移動度の維持、および膜/インターフェースの電気的欠陥の最小化が含まれます。かなりの注目を集めている材料は、ハフニウムケイ酸塩、ジルコニウムケイ酸塩、二酸化ハフニウム、および二酸化ジルコニウムであり、通常は原子層堆積法を使用して堆積されます。

高誘電率誘電体内の欠陥状態が電気的特性に影響を及ぼすことが予想されます。欠陥状態は、例えば、ゼロバイアス熱刺激電流、ゼロ温度勾配ゼロバイアス熱刺激電流分光法、^{[3] [4]}、または非弾性電子トンネル分光法（IETS）を使用して測定できます。

業界では 1990 年代から、従来の方法で形成されたシリコン酸化物誘電体に少量の窒素を注入した酸窒化物ゲート誘電体を採用しています。窒化物含有量によって誘電率がわずかに上昇し、ゲート誘電体を介したドーパントの拡散に対する耐性など、他の利点も得られると考えられています。

2000年、マイクロンテクノロジー社のグルテジ・シン・サンドゥとトゥルン・T・ドアンは、 DRAMメモリデバイス用の原子層堆積高κ膜の開発を開始しました。これは、 90nmノードのDRAMから始まり、半導体メモリのコスト効率の高い実装を推進するのに役立ちました。^{[5] [6]}

2007 年初頭、Intel は45 ナノメートル技術で構築されたコンポーネント向けに金属ゲートと組み合わせたハフニウムベースの高誘電率 (high-κ) 誘電体の導入を発表し、2007 年プロセッサ シリーズ (コード名Penryn)にこれを搭載して出荷しました。^{[7] [8]} 同時に、IBM は2008 年に一部の製品をハフニウムベースの高誘電率 (high-κ) 材料に移行する計画を発表しました。 特定されていませんが、このようなアプリケーションで使用される誘電体として最も可能性が高いのは、窒化ハフニウム ケイ酸塩 ( HfSiON ) の何らかの形です。HfO ₂およびHfSiO は、ドーパント活性化アニール中に結晶化しやすいです。NECエレクトロニクスも、 55 nm UltimateLowPowerテクノロジでHfSiON誘電体の使用を発表しました。 ^{[9]ただし、} HfSiONであっても、トラップ関連のリーク電流の影響を受けやすく、デバイスの寿命にわたってストレスによって増加する傾向があります。 このリーク効果は、ハフニウム濃度が増加するにつれて深刻になります。しかし、ハフニウムが将来の高誘電率誘電体の事実上の基盤となるという保証はありません。2006 年のITRSロードマップでは、2010 年までに業界で高誘電率材料の導入が一般的になるだろうと予測されていました。

• 低誘電率誘電体
• シリコンゲルマニウム
• シリコンオンインシュレータ

• 応用物理学ジャーナルに掲載されたウィルクらによるレビュー記事
• Houssa, M. (編) (2003) High-k 誘電体Institute of Physics ISBN 0-7503-0906-7 CRC Press Online 
• Huff, HR, Gilmer, DC (編) (2005)高誘電率材料: VLSI MOSFET アプリケーションSpringer ISBN 3-540-21081-4 
• Demkov, AA, Navrotsky, A., (Ed.) (2005)ゲート誘電体の材料の基礎Springer ISBN 1-4020-3077-0 
• 「金属酸化物Siトランジスタ用の高誘電率ゲート酸化物」Robertson, J. ( Rep. Prog. Phys. 69 327-396 2006) Institute Physics Publishing doi :10.1088/0034-4885/69/2/R02 高誘電率ゲート酸化物]
• 2007 年 3 月の Intel/IBM 発表に関するメディア報道 BBC ニュース|テクノロジー|チップがナノ障壁を突破、NY Times の記事 (1/27/07)
• Gusev, EP (編) (2006)「高誘電率ゲート誘電体スタックの欠陥: ナノ電子半導体デバイス」、Springer ISBN 1-4020-4366-X