Prekursor ALD La-FMD dla przyszłych, wiodących produktów logicznych i pamięciowych
Pierwiastki ziem rzadkich weszły do masowej produkcji zaawansowanych urządzeń logicznych od węzła 32 nm (IBM, Samsung i Globalfoundries – Chipworks 2010). Szczególnie w przypadku lantanu (La) – eponim serii lantanowców w układzie okresowym został wdrożony jako domieszka w stosie bramek metalowych o wysokiej stałej dielektrycznej. Tlenek lantanu (La2O3, stała dielektryczna ~ 27), na przykład, była badana przez dwie dekady jako dielektryk bramki o wysokiej wartości k, zastępujący konwencjonalny dwutlenek krzemu (SiO2) dielektryka bramki w tranzystorach nowej generacji w układach logicznych, jak również w pamięciach dynamicznych o swobodnym dostępie (DRAM).
Segmentacja słów kluczowych zgłoszeń patentowych w ciągu ostatnich 20 lat dla lantanu i„Osadzanie warstw atomowych” [wyszukiwanie Patbase 15 listopada 2018]
Osadzanie warstw atomowych jest najbardziej obiecującą metodą wytwarzania ultracienkich warstw dielektryków bramkowych na bazie La i dlatego też w ciągu ostatnich 20 lat było przedmiotem szeroko zakrojonych badań i zgłoszeń patentowych. Wysiłki badawczo-rozwojowe koncentrowały się na dziedzinach związanych z dielektrykami i zastosowaniami dielektryków o wysokiej wartości k w przemyśle półprzewodnikowym (patrz segmentacja słów kluczowych powyżej). Wzrost warstwy atomowej warstwa po warstwie ułatwiony przez samoograniczające się reakcje powierzchniowe w ALD zapewnia precyzyjną kontrolę grubości warstwy atomowej, dobrą jednorodność na dużym podłożu i doskonałą zgodność w przypadku struktur o wysokim współczynniku kształtu, takich jak nowoczesne FinFET i struktury filarowe typu kondensatora pamięci. Jednak aby działała bezbłędnie, wymaga prekursorów ALD o określonych właściwościach (LINK):
1. Wystarczająco lotne (co najmniej ~ 0.1 Torr równowagowej prężności pary w temperaturze, w której nie ulegają rozkładowi termicznemu).
2. Szybkie odparowywanie z powtarzalną szybkością (warunki, które zwykle są spełnione w przypadku prekursorów ciekłych, ale nie stałych).
3. Nie reagujące samoistnie i nie ulegające rozkładowi na powierzchni lub w fazie gazowej (w przypadku samoistnie kończących się reakcji powierzchniowych).
4. Wysoka reaktywność z innym reagentem wcześniej przyłączonym do powierzchni, co skutkuje stosunkowo szybką kinetyką, a tym samym niższymi temperaturami ALD i czasami cyklu.
5. Lotne produkty uboczne, które można łatwo usunąć w celu przygotowania do kolejnego półcyklu.
6. Produkty uboczne nie powodujące korozji, zapobiegające nierównomiernym wykończeniom spowodowanym trawieniem powłoki i korozją narzędzia.
W 2007 roku firma Intel Corporation założyła spółkę HfO2do stosu dielektrycznego bramki o wysokiej wartości k przy węźle technologicznym 45 nm. Jednak czysty HfO2cierpi na problem z warstwą interfejsu low-k z Si, ograniczając niższe wartości równoważnej grubości tlenku (EOT). Łatwo krystalizuje również w temperaturach tak niskich jak ~500 stopni. Dlatego amorficzne dielektryki o wysokiej stabilności termicznej są nadal poszukiwane ze względu na brak wewnętrznych defektów (np. granic ziaren), pod warunkiem, że nadal oferują zalety HfO2, takie jak wysoka stała dielektryczna, szeroka przerwa pasmowa i niski prąd upływu. Tlenki trójskładnikowe na bazie lantanu, takie jak skandan lantanu (LaScO3) i tlenku lantanu i lutetu (LaLuO3), osadzane w procesie ALD z udziałem prekursorów amidynianów metali, wykazują pożądane właściwości strukturalne i elektryczne. W rzeczywistości LaLuO3jest potencjalnie najlepszym amorficznym dielektrykiem bramkowym o stałej dielektrycznej k~32. Nie tworzy warstw międzyfazowych o niskim współczynniku k z Si, co umożliwia wartości efektywnej grubości tlenku (EOT) < 1 nm przy znacząco niskim prądzie upływu. Innym czynnikiem przyczyniającym się do niskiego prądu upływu w cienkim LaLuO wyhodowanym z ALD3dielektryk bramki to duże przesunięcie pasma (2,1 eV) względem Si; symetryczne przesunięcia pasma przewodnictwa i walencyjnego skutkują równymi prądami upływu w elektronowo napędzanych NMOSFET-ach i dziurowo napędzanych PMOSFET-ach. Pozostaje amorficzny i nie tworzy stopów z Si lub Ge po odpowiednich wyżarzaniach aktywacyjnych źródła/odpływu.
Jako bardzo niedawny przykład rzeczywistego zastosowania o wysokim współczynniku kształtu na płytkach 300 mm wymagających wszystkich opisanych powyżej cech prekursora ALD (od 1 do 6) możemy zobaczyć artykuł, który Imec przedstawił na tej słynnej konferencji IEDM, na temat użycia warstwy LaSiOx jako dipola wstawionego do stosu HKMG. Imecowi udało się ułożyć kompletny moduł przedni FinFET na szczycie „standardowego” modułu FinFET z krzemu, wykazując również dobre dostrajanie napięcia progowego, niezawodność i wydajność w niskich temperaturach. Przypuszczalnie został on najprawdopodobniej osadzony w procesie ALD, ponieważ będzie musiał konformalnie pokryć żebra i zapewnić precyzyjną kontrolę grubości i jednorodność: IEDM2018 Paper #7.1, „Pierwsza demonstracja 3D Stacked FinFETs przy 45 nm Fin Pitch i technologii Gate Pitch 110 nm na płytkach 300 mm”, A. Vandooren i in., Imec.
Podobnie jak w tym przypadku i wielu innych, surowe kwalifikacje dla prekursorów ALD umieszczają je w kategorii wysokiej jakości specjalistycznych chemikaliów - materiałów lub cząsteczek o określonej wydajności lub funkcji. Właściwości osadzonej warstwy są silnie uzależnione od właściwości fizycznych i chemicznych pojedynczej cząsteczki lub sformułowanej mieszaniny cząsteczek, a także jej składu chemicznego. Dlatego też wywiera to dużą presję na producenta i dostawcę specjalistycznych chemikaliów o wysokiej czystości pod względem jakości, czystości, procedur dokumentacyjnych, obsługi klienta itp.
Tris(N,N'-di-i-propyloformamidinato)lantan(III), (99.999+%-La) La-FMD jest jednym z prekursorów amidynianu metalu dla La ALD. Materiał jest białym lub białawym proszkiem. Wzór chemiczny i masa cząsteczkowa La-FMD to C21H45Sieć lokalna6i 520,53, odpowiednio. Rohm and Haas Electronic Materials LLC (później Dow Chemical) podaje, że La-FMD jest najbardziej lotnym prekursorem La znanym do tej pory. Ciśnienie pary w danej temperaturze nadawane przez La-FMD jest wyższe niż to, które daje La(Cp)3i La(thd)3. Ponadto Roy G. Gordon z Harvard University informuje, że prekursory amidynianu są termicznie bardziej stabilne niż ich amidowe odpowiedniki ze względu na chelatujący ligand amidynianu i brak wiązania MC. La amidyniany są wysoce reaktywne z wiązaniami Si-H, co daje znacznie krótszy czas nasycenia powierzchni i z kolei szybkie samozakończenie półreakcji ALD; skracając w ten sposób czas cyklu ALD. Ponadto prekursory La amidynianu zapewniają doskonałe pokrycie powierzchni na Si zakończonym wodorem.
Źródło: https://www.strem.com/catalog/product_blog/160/1/strem_oferuje_nowe_la-fmd_ald_prekursory_przyszłych_wiodących_nowoczesnych_logiki_i_produktów_pamięciowych