Целостный подход к выбору материалов и методов обработки для новых масштабируемых приборов

Целостный подход к выбору материалов и методов обработки для новых масштабируемых приборов

Выпуск 24 (6698) от 05 декабря 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Совершенствование логических приборов – ​одно из важных направлений развития микроэлектроники. По мере масштабирования возникает потребность перехода к новым приборным архитектурам, что, в свою очередь, вызывает необходимость в новых материалах с новыми свойствами. При этом введение в технологический процесс новых материалов приводит к изменениям на всех этапах данного процесса. Все эти проблемы могут быть решены за счет принятия целостного подхода к интеграции материалов.

По мере появления новых интеллектуальных приборов, средств связи пятого поколения (5G) и средств искусственного интеллекта (ИИ) растет спрос на высокопроизводительные логические устройства и схемы памяти высокой емкости. Для ускорения вычислений и повышения пропускной способности требуются новые приборные архитектуры, такие как «плавниковые» транзисторы (FinFET) или этажированные нанопроволочные транзисторы. Для подобных структур необходимы новые материалы, которые не только отвечают требованиям по производительности перспективных приборов, но и дают возможность достижения дальнейшего масштабирования. Каждое изменение в применяемых материалах в одной части технологического процесса вызывает цепную реакцию, затрагивающую все последующие этапы. Это, соответственно, может повлиять на выход годных, надежность или стоимость ИС. Для успешной интеграция нового материала в процесс создания полупроводниковых приборов требуется четкое понимание всех возможных последствий и технологических проблем, поэтому подход к интеграции новых материалов должен быть целостным.


Проблемы интеграции на начальных этапах формирования логических приборов

Совершенствование транзисторов началось с уменьшения длины затвора. Затем пришло время замены материалов затвора. Замена диоксида кремния (SiO2) на материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, а также замена поликремния металлическими затворами позволили уменьшить эффективную толщину оксида, повысить скорость переключения и уменьшить токи утечки в режиме ожидания. Для дальнейшего повышения производительности и сокращения потерь понадобятся архитектурные изменения (рис. 1).



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 1. Развитие приборных архитектур от планарных (слева) к FinFET (в центре) и круговым затворам (справа) 


Первым шагом стал переход от планарных структур к FinFET с вертикальной конфигурацией затворов, в которых материалы с высокой диэлектрической проницаемостью и металлические затворы «обертываются» вокруг канала, напоминающего плавник рыбы. Это обеспечивает бóльшую площадь поверхности и достижение более высоких значений токов каналов при сохранении компактности. Формирование более тонких, высоких «плавников» или встраивание множественных параллельных «плавников» позволяет продлить использование FinFET-архитектуры на более современные технологические уровни, включая 22, 14, 10, и 7 нм, а также, возможно и 5 нм. Однако при масштабировании размеров затворов менее 5 нм даже FinFET-технология подходит к физическим пределам своего развития.

Следующий шаг, обеспечивающий дальнейшее масштабирование архитектуры затвора, – ​технология кругового затвора (gate all around, GAA), где нанопроволоки, покрытые диэлектрическими и металлическими слоями, обеспечивают 360-градусное покрытие поверхности канала. Такой подход улучшает управление статическим электрическим полем и подпороговым напряжением. В структуре GAA может потребоваться несколько уровней нанопроволочной разводки, чтобы обеспечить достаточно высокое значение тока, позволяющее достичь высокой производительности при заданном технологическом уровне. Нанопроволочные структуры представляют собой будущее логической интеграции, однако здесь имеется много проблем, связанных как с материалами, так и с методами их обработки (включая проблему паразитных явлений).


Формирование нанопроводов

При формировании вертикальной «плавниковой» структуры, состоящей из чередующихся слоев кремния и SiGe или германия и SiGe, технологические процессы могут предполагать использование как традиционных методов (рис. 2а), так и более экзотических подходов (рис. 2б, 2в и 2г). Выбор германия или кремния при проектировании зависит от конечного применения. Кремний – ​обычный материал канала, но на технологических уровнях 5 нм и менее для увеличения быстродействия p-канального МОП-транзистора может потребоваться германий – ​из-за его большей дырочной проводимости.





Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 2. Структура этажированных двойных нанопроводов в архитектуре кругового затвора и ее формирование: а – поперечное изображение этажерки эпитаксиального слоя SiGe/Ge/ SiGe/Ge после травления в Fin-образной вертикальной структуре, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа; б – поперечное изображение после избирательного удаления SiGe травлением с использованием перспективного жидкостного травителя, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа; в – трансфокацированное изображение исходной SiGe/Ge/SiGe/Ge структуры и ее же после частичного удаления SiGe, полученное при помощи просвечивающей электронной микроскопии; г – трехмерное изображение сформированной Ge нанопроволочной тестовой структуры после полного удаления SiGe, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа


Нанопроводные транзисторы на основе германия

Германий обеспечивает большую подвижность дырок, чем кремний, но его меньшая ширина запрещенной зоны может стать причиной тока утечки в режиме ожидания. К счастью, GAA-структура позволяет ограничить утечку, что делает Ge особенно привлекательным. Низкое рабочее напряжение, способствующее снижению потребляемой мощности, – ​также благоприятный фактор при выборе Ge в качестве материала реализации.

Независимо от выбранного материала формирования полупроводникового канала значительную проблему представляет собой избирательное жидкостное или сухое травление. Химия травления должна быть тщательно настроена: с одной стороны, необходимо удалить SiGe, а с другой – ​не допустить повреждения нанопроволок Ge.

Ge – ​предпочтительный полупроводниковый материал для структур GAA, однако здесь есть серьезная проблема: нестабильность оксидов Ge, возникающих на границе раздела Ge и материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Для уменьшения плотности дефектов на поверхности раздела требуются специальные чистые составы. Один из подходов, позволяющих стабилизировать оксиды Ge и таким образом уменьшить дефекты на границе раздела, – ​легирование.

После экспонирования нанопроволок требуется конформное осаждение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и создание металлических затворов (рис. 3). Равномерное покрытие поверхностей нескольких нанопроволок пленками толщиной всего в несколько нанометров – ​более сложная задача, чем нанесение покрытий на вертикальные ребра. Конформные покрытия диэлектриков затвора и металлических пленок для формирования этажерки затвора толщиной всего в несколько нанометров вокруг канала нанопроволоки требуют почти атомарного контроля процесса осаждения.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 3. Поперечное сечение одиночной (а) и двойной структуры GAA Ge нанопровода (б) после осаждения диэлектрика затвора и металлического затвора. Описание этажированного нанопроводного транзистора с конформной пленкой на основе легирования областей истока и стока (в), полученное при помощи сканирующей электронной микроскопии


При формировании окончаний областей стока и истока нанопроволочных транзисторов не используются стандартные методы легирования, такие как вертикальное имплантирование, поскольку легирующие вещества не могут достичь нижней поверхности нанопроволок из-за эффекта затенения. В то же время плазменное легирование способно достигать сторон каждой нанопроволоки, но не всей поверхности структуры. Таким образом, появляется необходимость разработать новые методы конформного легирования областей истока и стока.


Проблемы завершающих операций обработки полупроводниковых пластин, включая металлизацию (BEOL): пересмотр вариантов материалов межсоединений

По мере дальнейшего пропорционального уменьшения транзисторов стандартные медные межсоединения достигают своих пределов масштабирования. Удельное сопротивление металлических межсоединений резко возрастает по мере того, как их ширина становится сравнимой с шероховатостью кромки токопроводящей дорожки и размером зерен меди – ​за счет увеличения рассеяния электронов на границах раздела зерен и поверхностей. Кроме того, вкладыши с высоким сопротивлением и переходы занимают все более значительную долю мелких межсоединений, за счет чего на уровне топологий менее 10–20 нм резко увеличивается сопротивление.

Замена материалов межсоединений, том числе металлических, для чего требуется использовать более тонкие вкладыши, – ​основная задача сегодняшнего дня в создании новых BEOL-решений. Замена кобальта на вольфрамовые контакты и малые медные межсоединения – ​один из путей решения проблемы. При использовании вольфрама и меди толщина барьера для предотвращения нежелательной диффузии и снижения надежности приборов должна быть минимальной. Однако использование кобальта в сочетании с утонченным барьерным слоем увеличивает проводящий объем этого материала и снижает удельное сопротивление. Также у кобальта есть преимущество в плане селективного осаждения «снизу вверх», позволяющего создавать структуры с высоким аспектным отношением без швов и пустот. Существуют и альтернативные материалы – ​рутений, молибден и т. д. Все они проходят исследования в рамках различных НИОКР. Однако интеграция таких материалов в производственные процессы потребует внесения изменений в прекурсоры осаждаемых металлов, составы покрытий, химические средства полировки и очистки.


Химико-механическая полировка и химические средства последующей очистки

Кобальт требует другой конфигурации барьерного слоя по сравнению с медью – ​титана и нитрида титана (Ti/TiN) вместо нитрида тантала и тантала (TaN/Ta). При этом меняется вся электрохимия, а значит, и составы средств травления, и составы, используемые для очистки. Компоненты критических составов должны быть адаптированы к системе металлов.

Особенно критична очистка после химико-механической полировки. Для кобальтовой металлизации были разработаны новые составы (рис. 4). В этой системе средства травления растворяют оксиды кобальта до свободных частиц SiO2, в то время как органические добавки воздействуют на органические остатки и удаляют их. Добавление ингибитора коррозии позволяет контролировать гальваническую коррозию во время процесса очистки.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 4. Изменение составов химико-механической полировки для обеспечения возможности использования кобальта


Дополнительные добавки диспергируют SiO2 и органические остатки, что позволяет избежать повторного осаждения. Однако эти добавки хорошо работают только в узком диапазоне рН. Высокий pH необходим для увеличения заряда отталкивания между SiO2 и оксидом кобальта. Это позволяет более эффективно удалять отрицательно заряженные частицы диоксида кремния с поверхности. Поэтому рН чистого раствора необходимо тщательно контролировать, чтобы свести к минимуму риск повторного осаждения SiO2 или осаждения гидроксидов кобальта.

Изменение химических средств очистки влияет и на другие аспекты технологического процесса. Например, важно рассмотреть, как новый очищающий состав будет взаимодействовать с мембранами, используемыми в современных фильтрующих приборах, не приведет ли его применение к значительному загрязнению и снижению выхода годных. Присутствие различных химических веществ, в том числе загрязняющих, может потребовать изменения конструкции мембраны или фильтра.


Перспективные проблемы интеграции материалов

Для того чтобы нанопроволочные архитектуры и надлежащим образом масштабированные металлические межсоединения перешли от этапа НИОКР к стадии крупносерийного производства, полупроводниковой промышленности потребуется решить ряд задач по созданию надежных, высокопроизводительных нанометровых структур, адаптированных к каждому конкретному применению. Основные (но не единственные) задачи – ​разработка передовых прекурсоров и связанных с ними методов, обеспечение возможности избирательного осаждения металлов и диэлектриков, а также достижение конформного легирования полупроводниковых материалов.


Формирование твердых прекурсоров на должном месте

Для надежного формирования наноразмерных и нанопроволочных структур при помощи методов атомарно-слоевого осаждения (ALD) и химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ) требуются соответствующие материалы-предшественники. Стандартные прекурсоры – ​как правило, газы или жидкости, работающие при температуре окружающей среды, – ​широко изучены, но не обязательно идеально подходят для конформного осаждения, которое требуется нанопроволочным структурам. Проектировщикам процессов нужно проявлять гибкость и рассматривать как можно больше перспективных материалов-предшественников.

Идеальная молекула-предшественник может представлять собой при комнатной температуре твердое вещество, требующее специальных емкостей для доставки к необходимому месту. Например, пентахлорид вольфрама (WCl5), твердое вещество, – ​хороший предшественник для вольфрамового ХОПФ-процесса, заменяющий газофазный гексафторид вольфрама (WF6) – ​что особенно важно, если учесть международную политику, направленную на снижение использования фтора. Галогенидный предшественник, хлорид гафния (HfCl4), также является твердым веществом, предпочтительным для использования при формировании диэлектрического слоя затвора. Его применение позволяет избежать появления углеродных примесей, образующихся при разложении металлорганических материалов-предшественников.

При нагревании для доставки в необходимое место HfCl4 сублимируется, а не плавится. Для эффективной доставки необходим газ-носитель, при этом необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать введения нежелательных загрязнений – ​либо твердых частиц самого прекурсора, либо металлических примесей, возникающих в результате химических взаимодействий между прекурсором и металлической емкостью доставки. Такие загрязняющие вещества создают значительный риск выхода из строя готового прибора или снижения его надежности при эксплуатации.

Современные методы фильтрации газов, подходящие для применения при низком давлении паров, позволяют сублимированному прекурсору попасть на место, в то же время препятствуя доступу загрязняющих элементов. Параметры специализированных фильтров, такие как размер пор, фильтрующий материал и строение фильтра, должны быть оптимизированы для конкретных участвующих в технологическом процессе материалов-предшественников и типов потенциальных загрязняющих веществ. Специализированные покрытия, наносимые на внутреннюю поверхность фильтра, могут оказаться очень эффективными с точки зрения предотвращения загрязнения металлами.


Избирательное осаждение

Сложные топологии, включая чрезвычайно малые канавки и отверстия, – ​серьезная проблема с учетом необходимости заполнения структуры без швов и пустот. На данный момент успешно используется технология электрохимического покрытия с заполнением «снизу вверх». Еще один подход, позволяющий добиться заполнения структуры чистым металлом без швов и пустот при минимизации возможного воздействия примесей во время нанесения покрытия, – ​селективное осаждение металла на металл.

В BEOL-процессах значительные возможности в заполнении межслойных отверстий нанометрового диапазона без образования швов и пустот демонстрирует кобальт. Определенные материалы-предшественники кобальта избирательно осаждаются на границе раздела слоя металлизации в нижней части канала, не прикрепляясь к диэлектрику на боковой или верхней поверхностях. Этот эффективный метод позволяет создавать весьма малые, самовыравнивающиеся структуры без пустот до этапа заполнения кобальтом. Процесс допускает незначительные рассогласования, не оказывающие воздействия на производительность приборов. Кобальт хорошо зарекомендовал себя в межсоединениях и представляет собой достаточно привлекательный вариант (рис. 5a и 5б). Помимо него для целей селективного осаждения рассматриваются и другие металлы – ​например, рутений и молибден.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 5. Поперечное сечение осажденного для сквозных отверстий кобальтового заполнения, полученное при помощи просвечивающей электронной микроскопии (а). Вид сверху на заполненные кобальтом 40-нм сквозные отверстия (б). Отмечается, что процесс заполнения кобальтом отличается от аналогичного медного процесса


Материалы для очистки – ​ключ к успеху

По мере того как в технологические процессы с топологиями менее 28 нм вводятся новые материалы, число этапов процесса увеличивается, что осложняет достижение желаемого уровня выхода годных (рис. 6а). По мере уменьшения ширины токопроводящих линий и шага между ними уменьшается и размер критических дефектов, а также общее допустимое количество загрязняющих частиц (рис. 6б). Важность чистоты материала и общего контроля дефектов становится чрезвычайно высокой.





Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 6. По мере увеличения числа этапов технологического процесса совокупный выход годных значительно падает (а). По мере сокращения шага металлической разводки размеры «убийственных» дефектов снижаются до 10 нм а число загрязняющих частиц превышает уровень в 3 единицы (для 20-нм норм) (б)


Заключение

Сложные процессы, необходимые для создания передовых логических приборов и схем памяти, требуют новых материалов. Интеграция нового материала в ту или иную точку процесса изготовления влияет на последующие этапы технологического процесса. Для успешного внедрения инноваций с целью повышения определенных аспектов производительности приборов следует четко понимать, какими будут потенциальные последствия этого внедрения с точки зрения дальнейших этапов производства.

Наилучшим решением данной проблемы станет принятие целостного подхода к интеграции материалов с учетом самых незначительных эффектов, связанных с, казалось бы, хорошо изученными материалами. Это необходимо для обеспечения требуемой производительности, надежности и снижении себестоимости нового прибора.


Singer Pete. The Holistic Approach to Materials and Processing for New and Scaled Devices. Semiconductor Digest, November 12, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/11/12/the-holistic-approach-to-materials-and-processing-for-new-and-scaled-devices/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Евгений Горнев

С каждым следующим поколением технологий рост производительности чипов все сильнее определяется новыми материалами, а не только масштабированием. Так, для технологий уровня 90 нм рост производительности на 60% обеспечивается новыми материалами; 45 нм – ​на 80 и для 28 нм – ​более чем на 95%. На начальных этапах развития микроэлектроники переход на новый уровень был возможен с помощью простого масштабирования, но по мере уменьшения норм от 1 мкм и менее такие переходы стали требовать сложных решений: коренных изменений процесса и оборудования фотолитографии, новых материалов, структур и т. п. Требуется учет факторов масштабирования, отражающих взаимное влияние геометрических размеров и свойств материалов, а также особенностей их интеграции в едином объеме с позиций кристаллохимической, термомеханической, электромагнитной, химической совместимостей, тепловой, электрической, механической стойкости, устойчивости к воздействию агрессивных сред и радиации, а также временной стабильности. Необходимо знать и, соответственно, учитывать размерные эффекты изменения электрофизических и других свойств малых объектов из-за увеличения вклада поверхностной энергии в общую энергию объекта. Это ведет, например, к увеличению удельного сопротивления, снижению температуры плавления и т. д.

Начиная с размера 65 нм масштабирование длины затвора замедлилось: оно больше не влияет на увеличение производительности чипов. Сейчас топологический размер (топологическая норма, норма проектирования) соотносится с конкретным процессом изготовления с соответствующими правилами проектирования. Меньший, более быстрый и более энергоэффективный технологический узел, как правило, соответствует меньшему характерному топологическому размеру. Начиная с технологической нормы 28 нм проектные нормы вычисляются из площади ячейки памяти! То есть полученная за счет технологических и конструктивных улучшений площадь технологического узла приводится к расчетному топологическому размеру, получаемому при прямом масштабировании без вышеуказанных усовершенствований. Таким образом, 7 нм у TSMC и 10 нм у Intel – ​это одни и те же проектные нормы с точки зрения и плотности упаковки, и размеров отдельных транзисторов! Но каковы же реальные использованные топологические размеры? А вот эта информация недоступна. Поэтому переход на новый технологический уровень сегодня обеспечивается, прежде всего, применением новых материалов и совершенствованием конструкции транзисторов.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.