La-FMD ALD-Vorläufer für zukünftige Spitzenlogik- und Speicherprodukte
Seltene Erden werden seit dem 32-nm-Knoten (IBM, Samsung und Globalfoundries – Chipworks 2010) in großen Stückzahlen für hochentwickelte Logikbauelemente hergestellt. Insbesondere Lanthan (La), der Namensgeber der Lanthanoidenreihe im Periodensystem, wurde als Dotierstoff in den High-k-Metall-Gate-Stacks implementiert. Lanthanoxid (La2O3, Dielektrizitätskonstante ~ 27) wird beispielsweise seit zwei Jahrzehnten als High-k-Gate-Dielektrikum für den Ersatz von herkömmlichem Siliziumdioxid (SiO2) Gate-Dielektrikum in der nächsten Generation von Transistoren in der Logik sowie in dynamischen Direktzugriffsspeichern (DRAMs).
Stichwortsegmentierung der Patentanmeldungen der letzten 20 Jahre für Lanthan und„Atomic Layer Deposition“ [Patbase-Suche 15. November 2018]
Die Atomlagenabscheidung ist die vielversprechendste Methode zum Züchten ultradünner Filme aus La-basierten Gate-Dielektrika und wurde daher in den letzten 20 Jahren intensiv erforscht und es wurden Patente angemeldet. Die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen konzentrierten sich auf Bereiche im Zusammenhang mit dielektrischen und High-k-Dielektrika-Anwendungen in der Halbleiterindustrie (siehe Stichwortsegmentierung oben). Das atomare Schicht-für-Schicht-Filmwachstum, das durch selbstbegrenzende Oberflächenreaktionen bei der ALD ermöglicht wird, bietet eine atomar präzise Kontrolle der Filmdicke, gute Gleichmäßigkeit über ein großflächiges Substrat und hervorragende Konformität bei Strukturen mit hohem Aspektverhältnis wie modernen FinFETs und Säulenstrukturen vom Typ Speicherkondensator. Damit es jedoch einwandfrei funktioniert, sind ALD-Vorläufer mit bestimmten Eigenschaften erforderlich (LINK):
1. Ausreichend flüchtig (mindestens ~ 0.1 Torr Gleichgewichtsdampfdruck bei einer Temperatur, bei der sie sich nicht thermisch zersetzen).
2. Schnelles Verdampfen und eine reproduzierbare Geschwindigkeit (Bedingungen, die normalerweise für flüssige Vorläufer erfüllt sind, nicht jedoch für Feststoffe).
3. Keine Selbstreaktion oder Zersetzung auf der Oberfläche oder in der Gasphase (bei selbstbeendenden Oberflächenreaktionen).
4. Hohe Reaktivität mit dem anderen Reaktanten, der zuvor an die Oberfläche gebunden wurde, was zu einer relativ schnellen Kinetik und somit zu niedrigeren ALD-Temperaturen und Zykluszeiten führt.
5. Flüchtige Nebenprodukte, die zur Vorbereitung auf den nächsten Halbzyklus leicht entfernt werden können.
6. Nicht korrosive Nebenprodukte verhindern Ungleichmäßigkeiten durch Filmätzung und Korrosion des Werkzeugs.
Im Jahr 2007 übernahm die Intel Corporation HfO2in High-k-Gate-Dielektrikum-Stapel bei 45 nm Technologieknoten. Reines HfO2leidet unter dem Problem der Low-k-Grenzschicht mit Si, was niedrigere Werte für die äquivalente Oxiddicke (EOT) begrenzt. Es kristallisiert auch leicht bei Temperaturen von nur ~500 Grad. Daher sind amorphe Dielektrika mit hoher thermischer Stabilität weiterhin gefragt, da sie keine intrinsischen Defekte (z. B. Korngrenzen) aufweisen, vorausgesetzt, sie bieten immer noch die Vorteile von HfO2, wie hohe Dielektrizitätskonstante, große Bandlücke und geringer Leckstrom. Lanthanbasierte ternäre Oxide wie Lanthanscandat (LaScO3) und Lanthan-Lutetiumoxid (LaLuO3), die durch ALD-Verfahren unter Verwendung von Metallamidinat-Vorläufern abgeschieden wurden, weisen Berichten zufolge wünschenswerte strukturelle und elektrische Eigenschaften auf. Tatsächlich weist LaLuO3ist möglicherweise das beste amorphe Phase-Gate-Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von k~32. Es bildet keine Low-k-Grenzflächenschichten mit Si, was effektive Oxiddicken (EOT) von < 1 nm bei deutlich niedrigem Leckstrom ermöglicht. Ein weiterer Faktor, der zum niedrigen Leckstrom über ALD-gewachsenes dünnes LaLuO beiträgt3Das Gate-Dielektrikum ist der große Bandversatz (2,1 eV) in Bezug auf Si; die symmetrischen Leitungs- und Valenzbandversätze führen zu gleichen Leckströmen in elektronengetriebenen NMOSFETs und lochgetriebenen PMOSFETs. Es bleibt amorph und bildet nach entsprechenden Source-/Drain-Aktivierungsglühungen keine Legierungen mit Si oder Ge.
Als aktuelles Beispiel einer tatsächlichen Anwendung mit hohem Aspektverhältnis auf 300-mm-Wafer, die alle oben beschriebenen ALD-Vorläufereigenschaften (1 bis 6) erfordert, können wir das Papier sehen, das Imec auf dieser berühmten IEDM-Konferenz über die Verwendung einer LaSiOx-Schicht als Dipol in den HKMG-Stapel präsentierte. Imec gelang es, das komplette FinFET-Frontend-Modul auf ein „Standard“-FinFET-Modul aus massivem Silizium zu stapeln und dabei auch eine gute Schwellenspannungsabstimmung, Zuverlässigkeit und Leistung bei niedrigen Temperaturen zu demonstrieren. Vermutlich wurde es höchstwahrscheinlich durch ein ALD-Verfahren aufgebracht, da es die Lamellen konform beschichten und eine präzise Dickenkontrolle und Gleichmäßigkeit sicherstellen muss: IEDM2018-Papier Nr. 7.1, „Erste Demonstration von 3D-gestapelten FinFETs mit 45 nm Lamellenabstand und 110 nm Gate-Pitch-Technologie auf 300-mm-Wafer“, A. Vandooren et al., Imec.
Wie in diesem und vielen anderen Fällen werden ALD-Vorläufer aufgrund ihrer strengen Anforderungen in die Kategorie der hochwertigen Spezialchemikalien eingeordnet – der leistungs- oder funktionsspezifischen Materialien oder Moleküle der Wahl. Die Eigenschaften des abgeschiedenen Films werden stark von den physikalischen und chemischen Eigenschaften eines einzelnen Moleküls oder einer formulierten Molekülmischung sowie seiner chemischen Zusammensetzung beeinflusst. Daher wird auf Hersteller und Lieferanten der hochreinen Spezialchemikalien in Bezug auf Qualität, Reinheit, Dokumentationsverfahren, Kundendienst usw. großer Druck ausgeübt.
Tris(N,N'-di-i-propylformamidinato)lanthan(III), (99,999+%-La) La-FMD ist eines der Metallamidinat-Vorläuferprodukte für La ALD. Das Material ist ein weißes bis cremefarbenes Pulver. Die chemische Formel und das Molekulargewicht von La-FMD sind C21H45LaN6bzw. 520,53. Rohm and Haas Electronic Materials LLC (später Dow Chemical) berichtet, dass La-FMD der flüchtigste bisher bekannte La-Vorläufer ist. Der von La-FMD bei einer bestimmten Temperatur erzeugte Dampfdruck ist höher als der von La(Cp)3und La(thd)3. Darüber hinaus berichtet Roy G. Gordon von der Harvard University, dass die Amidinat-Vorläufer aufgrund des chelatbildenden Amidinat-Liganden und der Abwesenheit einer MC-Bindung thermisch stabiler sind als ihre Amid-Gegenstücke. La-Amidinate sind hochreaktiv mit Si-H-Bindungen, was zu einer viel kürzeren Oberflächensättigungszeit und damit zu einer schnellen Selbstterminierung der ALD-Halbreaktion führt; dadurch wird die ALD-Zykluszeit verkürzt. Außerdem wird durch La-Amidinat-Vorläufer auf wasserstoffterminiertem Si eine ausgezeichnete Oberflächenabdeckung erreicht.
Herkunft: https://www.strem.com/catalog/product_blog/160/1/strem_bietet_neue_la-fmd_ald_Vorläufer_für_zukünftige_führende_Logik_und_Speicher_Produkte