CÔNG NGHỆ HIGH – K PLUS METAL GATE

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự bùng nổ của công nghệ thông tin, kỹ thuật số đã khẳng định vai trò vô cùng quan trọng của ngành chế tạo m

đề tài:

CễNG NGHỆ HIGH – K PLUS METAL GATE

Gv : TS Nguyễn Vũ Thắng

hv : Trần Thị Thu Trang Hoàng Nhật Thanh Lớp : CH SP KT Điện tử K810

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự bùng

nổ của công nghệ thông tin, kỹ thuật số đã khẳng định vai trò vô cùng quan trọng của ngành chế tạo mạch vi điện tử mà thường được gọi là công nghiệp chế tạo IC hay chế tạo chip

Chính vì vậy mà sự phát triển của ngành công nghiệp này đang được cả thế giới quan tâm Mỗi một nghiên cứu mới được ứng dụng, mỗi một sản phẩm mới được công bố trở thành tâm điểm của ngành Hiện nay, các nhà sản xuất chip hàng đầu trên thế giới đang chạy đua với nhau để tạo ra các sản phẩm ngày càng hoàn hảo hơn, tinh vi hơn, nhiều tính năng vượt trội làm hài lòng khách hàng

Để củng cố và mở rộng thêm những hiểu biết của mình về công nghệ đang chiếm ưu thế này, chúng tôi mạnh dạn đưa ra một tiểu luận nhỏ Chúng tôi hoàn thành tiểu luận với nhiều cố gắng học hỏi, tìm tòi cùng với sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Tuy nhiên, do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy giáo và các bạn quan tâm

Chúng tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Vũ Thắng và

TS Mai Anh Tuấn đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ chúng tôi hoàn thành môn học cũng như đề tài tiểu luận này

PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤCH ĐÍCH THỰC HIỆN.

Từ những vi mạch đầu tiên được sản xuất trong những năm 1959 theo công nghệ Bipolar, rồi phát triển theo công nghệ MOS, đến nay mật độ tích hợp của mạch vi điện tử không ngừng được nâng cao Sự tăng trưởng nhanh chóng mật độ tích hợp này có thể thấy rất rõ qua định luật Moore Theo đó, mật độ tích hợp tăng lên gấp đôi sau 24 tháng:

Luật Moore

Hoặc chúng ta có thể nhận thấy sự tăng trưởng mật độ tích hợp của mạch vi điện tử qua việc phân tích sự phát triển của DRAM Đây là loại chip về cơ bản không thay đổi chức năng trong khoảng thời gian nhiều năm qua, được bán với số lượng lớn và có mật độ tích hợp lớn nhất Hình vẽ dưới đây biểu diễn mật độ của bộ nhớ DRAM theo thời gian Mật độ của mạch tăng theo hệ số 4 trong vòng 3 năm

Sự phát triển của DRAM

Một trong những thay đổi cơ bản cho phép công nghệ tiến hóa được như trên

là sự giảm kích thước tối thiểu của linh kiện Giảm kích thước tối thiểu này không chỉ làm tăng mật độ tích hợp mà tốc độ làm việc của transistor cũng được cải thiện Chúng ta đều biết linh hồn của các mạch vi điện tử chính là các transistor Vì vậy việc giảm kích thước tối thiểu của transistor có ý nghĩa hết sức quan trọng

Chẳng hạn, trong công nghệ Silicon, để thu được các kích thước linh kiện từ 1µm đến 0,4µm cần thực hiện quang khắc bằng các chùm tia điện tử và bằng tia X

có thể tạo nên các kích thước hình học cỡ 20nm Các phương pháp quang khắc sau này như kỹ thuật quang khắc ion và kỹ thuật plasma cho phép thu được những kích thước hình học tinh vi hơn, với độ chính xác mong muốn Tuy nhiên, kích thước hình học của một transistor phải thỏa mãn một số qui tắc vật lý, bởi giảm bớt kích thước này sẽ kéo theo việc giảm các kích thước khác

Chúng ta xét một transistor MOS, việc giảm chiều dài của cửa sẽ kéo theo việc giảm bớt chiều dày của lớp Silicon dioxide ở cực cửa Tuy nhiên, với công nghệ hiện nay, kích thước của lớp Silicon dioxide này đã đạt tới mức giới hạn, không thể nhỏ hơn nữa Lớp cách điện Silicon dioxide mỏng là một vấn đề lớn, nó

mất dần khả năng cách điện Với rào cản này thì định luật Moore dường như kết thúc tại đây Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng một loại vật liệu mới thay thế cho Silicon dioxide Các nhà sản xuất mạch vi điện tử lớn, điển hình là Intel đã tiến hành nghiên cứu và tìm ra loại vật liệu thay thế, đó là vật liệu cách điện High – k Với việc ứng dụng của loại vật liệu này đã tạo nên bước đột phá trong công nghệ chế tạo mạch vi điện tử và nhờ đó định luật Moore được mở rộng.

Chính vì các lí do trên trong đề tài này, chúng tôi mạnh dạn trình bày vấn đề chọn vật liệu High – k thay cho Silicon dioxide trong công nghệ chế tạo mạch vi

điện tử, với tên đề tài là: High – k plus metal gate.

Với đề tài trên, chúng tôi hướng tới một số nội dung như sau: thứ nhất, điểm qua công nghệ chế tạo transistor và lịch sử phát triển của công nghệ này Qua đó hình dung được mức độ phát triển của công nghệ chế tạo mạch vi điện tử hiện nay

đã đạt giới hạn nào, giới hạn đó gây trở ngại như thế nào với việc tiếp tục phát triển công nghệ lên tầm cao hơn Thứ hai, để tiếp tục phát triển công nghệ chế tạo mạch

vi điện tử các nhà sản xuất đã nghiên cứu và tìm ra một giải pháp mang tính đột phá Đó là công nghệ thay thế Silicon dioxide bằng vật liệu cách điện High – k Thứ

ba, công nghệ thay thế này được coi là một trong những nghiên cứư mới nhất của các nhà sản xuất Vì vậy trong phần cuối của đề tài, chúng tôi giới thiệu một số ứng dụng của công nghệ mới này trong sản xuất chíp, những triển vọng cũng như khó khăn, thách thức

Đề tài này chúng tôi xây dựng trên cơ sở những kiến thức đã biết về quá trình phát triển của công nghệ chế tạo transistor nói riêng và mạch vi điện tử nói chung, kết hợp với một trong những phát kiến mới nhất của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này Bài viết không tránh khỏi một số thiếu sót, cần được bổ sung thêm Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy giáo và các bạn quan tâm

PHẦN II: NỘI DUNG

I ĐIỂM QUA CÔNG NGHỆ TRANSISTOR VÀ CÔNG NGHỆ IC.

Sự sáng tạo ra transistor vào cuối năm 1947 là một trong những phát kiến quan trọng của thế kỷ 20 Transistor được sử dụng lần đầu tiên trong khuếch đại tín hiệu âm thanh Chính vì vậy hầu hết các loại thiết bị điện tử thời kì này đều sử dụng các transistor rời rạc Nhưng về dài hạn, nhờ sự phát triển của công nghệ, thì ứng dụng quan trọng nhất của transistor lại là ở vai trò của một công tắc đóng mở trong mach điện tích hợp (Integrated Circuit – IC), được biết đến nhiều hơn dưới dạng các con chip Nhờ vai trò này, hàng trăm triệu transistor cùng nằm trong một chíp đã tạo thành trái tim của những thiết bị điện tử mà con người sử dụng ngày nay

Ngay từ năm 1959, những chiếc vi mạch đầu tiên được sản xuất theo công nghệ lưỡng cực Tuy nhiên đến năm 1962 thì hầu hết vi mạch được sản xuất theo công nghệ MOS, khi mà các nhà nghiên cứu nhận thấy công nghệ này có nhiều ưu điểm hơn Với công nghệ MOS cho phép tạo ra được những vi mạch có mật độ tích hợp rất cao Bởi chính sự thu nhỏ chiều dài của kênh và lớp ngăn cách điện giữa hai MOS đã làm rút ngắn rất nhiều kích thước hình học của linh kiện

Trong công nghệ MOS, loại transistor được dùng là transistor hiệu ứng trường MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor)

Hình 1: Cấu tạo của MOSFET

Đây là linh kiện có 4 cực: nguồn, máng, cổng và đế Vai trò công tắc thể hiện

ở việc điện thế đặt vào cực cổng (gate) có tác dụng “bật” và “tắt” dòng điện tích giữa 2 cực khác là cực nguồn (source) và cực máng (drain) Kênh (channel) là nơi

dòng điện tích di chuyển MOSFET có hai loại, NMOS và PMOS, tùy thuộc vào thành phần cấu tạo

Lấy ví dụ transistor NMOS Vùng nguồn và máng được cấu tạo từ N-silicon, giữa chúng là P-silicon được gọi là kênh, nơi có dòng điện tích Phần trên của kênh

có một lớp mỏng cách điện Silicon - dioxide (SiO2), được gọi là cổng oxide (gate- oxide) Bên trên cổng oxide là điện cực, thường được cấu tạo từ Silicon đa tinh thể (polycrystal silicon, hay ngắn gọn là polysilicon)

Hình 2: MOSFET kênh n

Trong trường hợp NMOS thì điện cực cũng thuộc loại N Khi có điện áp dương tại cực cổng, nó tạo ra điện trường đẩy các điện tích dương đi và hút các điện

tử để tạo ra dòng điện giữa nguồn và máng

Hình 3: Điện áp dương đặt vào cực cổng của transistor loại NMOS đẩy các điện tích dương trong kênh ra xa khỏi lớp cách điện và hút về phía mình các điện tử, tạo dòng điện.

Với PMOS transistor, mọi thứ đều ngược lại với NMOS Nguồn và máng là P-silicon, kênh là N-silicon, và cực cổng là P Nó làm việc cũng theo cách đối lại, tức là khi có điện áp âm đặt vào cổng, nó sẽ tạo dòng điện trong kênh giữa nguồn và máng

Hình 4: MOSFET kênh p

Công nghệ MOS đầu tiên được dùng là công nghệ PMOS Đến đầu những năm 1970, công nghệ NMOS chiếm ưu thế hơn và dần thay thế công nghệ PMOS Trong công nghệ NMOS sự nhiễm bẩn trong sản xuất thường tạo nên các điện tích dương Các ion dương kí sinh này tích tụ ở bề mặt phân cách giữa oxit – silic, gây

ra sự xê dịch thế ngưỡng làm cho transistor MOS kênh n làm giàu được giải tỏa sớm Tuy nhiên, độ linh động của điện tử trong công nghệ NMOS lớn hơn gấp 2 đến 3 lần độ linh động của lỗ trống trong công nghệ PMOS Ngoài ra điện trở của kênh n ở chế độ mở cũng nhỏ hơn và vận tốc làm việc của nó cũng nhanh hơn So với công nghệ lưỡng cực, công nghệ MOS được xem là rẻ hơn và có mật độ tích hợp lớn (từ 1000 đến 20.000 cổng/chip), nhưng tốc độ chậm hơn Khi mật độ tăng

từ 1000 đến 10.000 cổng/chip, công suất cần thiết tăng từ hang trăm miliwatt đến hang watt

Ý tưởng về mạch logic bù đầu tiên được Wanlass và Sah đề xướng năm

1963 Nhưng phải đến cuối năm 1970 mới được sử rụng rộng rãi nhờ kỹ thuật tiên tiến như kỹ thuật cấy ion, cải thiện kỹ thuật quang khắc…MOS bù trừ thực chất là một cấu trúc gồm các transistor MOS kênh p có chung đế với một transistor MOS kênh n (CMOS: complementary metal-oxide semiconductor)

Vì hai MOS không dẫn điện một cách đồng thời nên mạch không tiêu thụ năng lượng Công suất chỉ tiêu hao đáng kể trong thời gian quá độ chuyển trạng thái Và thường chỉ một số ít cổng chuyển trạng thái tại một chu kì đếm bất kỳ nên công suất tiêu tán của CMOS thấp hơn nhiều so với NMOS Tuy công nghệ CMOS phức tạp hơn, nhưng nhờ ưu điểm là giá thành đóng gói giảm, mật độ tổ hợp vô cùng lớn nên nó là công nghệ bán dẫn chủ yếu hiện nay Công nghệ MOS được sử dụng rộng rãi cho các mạch số và các bước công nghệ được tối ưu hóa để mật độ tích hợp ngày càng cao:

Hình 5: Công nghệ chế tạo IC

Trong công nghệ CMOS chúng ta đặc biệt chú ý đến một thành phần quan

trọng đó là lớp cách điện silicon – dioxide Công nghệ chế tạo có thể mô tả như sau:từ đế đơn tinh thể Silic, thực hiện oxi hóa nhiệt để tạo ra trên bề mặt đế một lớp silicon – dioxide Sau đó, dùng phương lắng đọng để tạo ra trên bề mặt silicon – dioxide một lớp điện trở quang Có thể lắng đọng theo 3 cách: bay hơi, phún xạ hoặc lắng đọng hơi hóa học Bước tiếp theo là quang khắc Dùng ánh sáng chiếu qua mặt nạ quang, xác định vùng điện trở quang cần giữ lại Nhúng toàn bộ vào dung dich hiện, phần điện trở quang không lộ sáng sẽ bị hoà tan, để lại vùng điện trở quang như mong muốn Tiếp theo, dùng phương pháp ăn mòn hoá học hoặc ăn mòn plasma để lấy đi phần SiO2 không được bảo vệ bởi lớp điện trở quang Cuối cùng, loại bỏ lớp điện trở quang khỏi phiến SiO2, sẽ thu được kết quả như mong muốn

Hình 6: Công nghệ chế tạo SiO 2

Các đặc tính và vật liệu cấu thành của transistor MOS hầu như giữ nguyên từ những năm 60, nhưng kích thước của chúng thì nhỏ đi một cách đáng kinh ngạc, từ 10µm xuống còn dưới 50nm, tức là giảm hơn 200 lần Lớp cách điện SiO2 giảm từ

100nm xuống còn 1,2nm, đạt giới hạn 5 nguyên tử và độ dày này đã không đổi kể

từ năm 2003, khi thế hệ chip 90nm được giới thiệu, cho tới nay

Để duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ đã được phát biểu bởi định luật Moore, các transistor MOS phải được thu nhỏ đi một nửa sau 24 tháng “Cuộc chiến” thu nhỏ này đã đẩy một bộ phận quan trọng của transistor đến giới hạn của mình: đó là phần silicon – dioxide (SiO2) đóng vai trò là lớp cách điện giữa cực cổng và cực máng, nơi dòng điện chạy qua khi transistor được mở Khi giới hạn này đạt tới giới hạn 5 nguyên tử thì không thể cắt gọt một chục nm nào nữa vì một nguyên tử silic chỉ có đường kính 0,25nm Với bề dày như vậy lớp cách điện silicon – dioxide đó mỏng đến mức chính nó đánh mất khả năng cách điện của mình Và vì thế đã xuất hiện sự rò rỉ điện qua lớp cách điện này Chẳng hạn, trong những bộ vi

xử lý được sản xuất từ hai năm về trước cường độ của sự rò rỉ này đã tăng thêm 100 lần Đây là một thách thức rất lớn đối với các nhà nghiên cứu và đối với ngành công nghiệp bán dẫn Điều này không chỉ hàm ý sự kết thúc của định luật Moore mà còn

đe dọa việc đưa cuộc cách mạng số của những thập kỷ trước dây đến một sự dừng lại đột ngột

Từ những năm 90, Intel và nhiều nhà sản xuất chip lớn khác đã nghiên cứu

để tìm ra giải pháp tốt hơn Mục tiêu là tìm kiếm một loại vật liệu điện môi cổng thay thế SiO2 và đưa được transistor có dòng rò thấp hơn nhưng lại truyền tải được nhiều dòng điện hơn

II CÔNG NGHỆ DÙNG VẬT LIỆU HIGH – K THAY THẾ CHO

SILICON – DIOXIDE.

Như phần trên đã trình bày công nghệ dùng Silicon – dioxide ở cực cửa khi chế tạo transistor gặp phải khó khăn lớn trong việc tiếp tục phát triển mật độ tích hợp của mạch vi điện tử Vấn đề cần giải quyết là tìm được vật liệu cách điện với độ dày vừa đủ để ngăn cản điện tử đi qua nhưng cũng phải cho phép điện trường từ cổng truyền đến kênh để có thể mở transistor Tóm lại, lớp cách điện này cần dày về vật lý nhưng phải mỏng về điện

Trong nhiều năm các nhà sản xuất chip hàng đầu trên thế giới, tiêu biểu là Intel đã tiến hành nghiên cứu và tìm ra được loại vật liệu đáp ứng được các yêu cầu

trên, đó là vật liệu cách điện High-k (hay “Hi-k”, viết tắt của từ “high dielectric

constant”, trong đó k là hằng số điện môi Thuật ngữ trên dùng để chỉ các chất có

hệ số điện môi cao (k) và có thành phần hoá học ổn định trong môi trường có nhiệt

độ cao

Hệ số k cho biết vật liệu có thể giữ điện tích trong bao lâu Vật liệu khác nhau có khả năng giữ điện tích trong khoảng thời gian khác nhau (hệ số “k”) Nếu lấy không khí có hệ số “k” là 1, thì SiO2 có “k” là 3,9

Sử dụng vật liệu mới để chế tạo transistor cho phép giảm mức rỏ rỉ điện tới

100 lần Hơn nữa, hệ số điện môi còn liên quan trực tiếp đến hiệu năng transistor,

hệ số càng cao, khả năng tích điện của transistor càng lớn hơn, càng chuyển trạng thái “mở”, “tắt” chính xác Ngoài ra, “High-k” còn có những ưu điểm khác, cho phép giải quyết nhiều vấn đề công nghệ trong sản xuất và vận hành chip

Hình 7: Vật liệu high -k

Như vậy, vật liệu dùng để thay thế SiO2 chắc chắn phải có “k” cao hơn 3,9 Các ứng viên cho chất liệu “high-k” bao gồm aluminum oxide (Al2O3), titanium dioxide (TiO2), tantalum pentoxide (Ta2O5), hafnium dioxide (HfO2), hafnium

silicate (HfSiO4), zirconium oxide (ZrO2), zirconium silicate (ZrSiO4), và lanthanum oxide (La2O3)

Thông qua hàng loạt các nghiên cứu, thử nghiệm, các nhóm kỹ sư nghiên cứu của Intel đã cố gắng xác định các chỉ số của vật liệu như hệ số dung môi, độ ổn định về điện, khả năng tương thích với Silicon Mặc dù gặp rất nhiều khó khăn, trở ngại nhưng kết quả thu được cho thấy hai chất điện môi hafnium dioxide (HfO2) và zirconium oxide (ZrO2) có thể đáp ứng yêu cầu đặt ra cho chất cách điện mới

Hiện tại, Intel đang và sẽ dùng Hafnium để dần thay thế Silicon trong sản xuất vi mạch BXL Nehalem có mặt vào nửa cuối năm 2008 sẽ được sản xuất theo công nghệ sử dụng hoàn toàn Hafnium

Hình vẽ dưới đây thể hiện công nghệ thay thế Silicon – dioxide bằng vật liệu high –k mà Intel đã làm được:

Hình 8: Công nghệ thay thế Silicon – dioxide bằng vật liệu high –k

Những thay đổi này trong thiết kế các phần tử chất bán dẫn giúp cho Intel cùng lúc giải quyết được các vấn đề nan giải Tiến trình công nghệ 45nm gần như tăng gấp đôi mật độ bóng bán dẫn trên die Hơn nữa, nó còn tăng tốc độ đảo mạch của chúng lên khoảng 20% và giảm điện năng cần cho hoạt động này là 30% Thêm vào đó, việc sử dụng nguyên liệu mới cho phép giảm bớt sự thất thoát điện năng một cách đáng kể trong sự thất thoát nguồn điện bởi hệ số 5 và sự thất thoát của cổng oxide bởi hệ số 10