بخشی از مقاله
چکیده
فیلم ها یا لایه های نازکی که از فلزات نجیب تهیه می شوند، کاربردهای ویژه ای در مدارهای مجتمع - IC - دارند. بیشتر دستگاه های الکترونیکی روی مدارهای مجتمع ساخته می شوند که مجموعه ای از قطعاتی مثل: ترانزیستور، خازن و مقاومت هستند. از لایه های نازک فلزات نجیب می توان به عنوان الکترود در حافظه های دینامیک و فرومغناطیس با دسترسی تصادفی DRAMs - و - FRAMs یا به عنوان الکترود دروازه - گیت - در ترانزیستورهای اثر میدان فلز- عایق - نیمه هادی - MOSFETs - استفاده کرد. فلزات نجیب با داشتن خواص ویژه ای مثل: پایداری شیمیایی ، مقاومت بالا در برابر اکسایش، تابع کار بالا و مقاومت الکتریکی بالا بهترین مواد برای ساخت الکترود محسوب می شوند. در این مقاله تاکید بر مکانیسمهای واکنش و محدودیتها، جریان نشتی، الکترودها و فصل مشترک آنها و تکنیک های موثر لایه نشانی می باشد.
کلمات کلیدی: انباشت لایه اتمی، پیش ماده، الکترود گیت، حافظه های دینامیک و فروالکتریک، خازن. کد دسته بندی مقاله: فیزیک حالت جامد و ماده چگال
مقدمه
انباشت لایه اتمی - ALD - ، که آن را اپی تاکسی - ALE - یارونشت لایه اتمی هم می نامند، به عنوان تکنیک تولید فیلم فوق نازک از اواسط 1970 رواج بیشتری یافت. در سالهای اخیر رشد سریعی در ALD مواد مورد استفاده در کاربردهای میکرو الکترونیک به خصوص در مدارهای مجتمع - ICs - صورت گرفته است. مدارهای مجتمع در وسایل برقی مثل: رایانه، موبایل، رادیو، کارت های اعتباری و انواع ماشین ها به کار می روند.[1-5]فیلم های تولیدی به روش ALD انعطاف پذیری عالی و ضخامت یکنواختی روی تمام سطح زیرلایه دارند، بنابراین روش لایه نشانی ALD مناسب ترین روش تولید فیلم نازک برای به کارگیری در مدارهای مجتمع می باشد. فلزات نجیب به لحاظ شیمیایی بسیار پایدارند و اکثر آن ها پایداری قابل توجهی در شرایط اکسایش بالادارند. علاوه براین، این فلزات کاربرد گسترده ای در مدارهای مجتمع به عنوان الکترود بالا یا پایین، در حافظه های پویا با دسترسی تصادفی - DRAMs - و حافظه های فروالکتریک بادسترسی تصادفی - FRAMs - دارند.
مواد
فلزات نقره، طلا و فلزات گروه پلاتین شامل روتنیوم، رودیوم، پالادیوم، اسمیوم، ایردیوم و پلاتین فلزات نجیب نامیده می شوند. از لایه های نازک این فلزات در ساخت الکترود برای خازن های
حافظه استفاده می شود، زیرا اکسیدهای با ثابت دی الکتریک بالانمی توانند به طور مستقیم بر روی سرپوش پلی کریستال سیلیکون که با خازن حافظه درون ترانزیستور سلول در ارتباط است، رشد یابند. علاوه براین یک الکترود پایین که از اکسایش سرپوش جلوگیری کند و در شرایط اکسیداسیون بالا هادی باقی بماند، نیز مورد نیاز است. علاوه براین این مواد تابع کار بالا داشته و سد شاتکی مرتفعی ایجاد می کنند که از نشت جریان جلوگیری می کند. فلزات نجیب دمای ذوب بالا داشته و به راحتی می توانند دماهای بالای راکتور را در طول فرآیند لایه نشانی تحمل کنند.
الکترودهای حافظه با دسترسی تصادفی دینامیک
حافظه ها قطعاتی هستند که اطلاعات رقمی - داده ها - ، بر حسب رقم های دوتایی در آنها ذخیره می شوند. در یک RAMسلول های حافظه در ساختار ماتریسی سازماندهی می شوند و به
منظور ذخیره کردن - نوشتن - یا بازیابی - خواندن - داده ها می توان در ترتیبی تصادفی، مستقل از محل های فیزیکی آنان به اطلاعات دسترسی پیدا کرد. برای کاهش بیشتر سطح و توان مصرفی، حافظه های با دسترسی تصادفی دینامیک ساخته شدند. به این حافظه ها به این دلیل دینامیک می گویند که در هر لحظه می توان از روی آنها هم خواند و هم نوشت. علاوه براین، این نوع حافظه ها باید در طی مدت زمان معینی تازه شوند، یعنی برای این که سطح ولتاژ در آنها افت پیدا نکند، باید جریان برق به آن ها تزریق شود. به خاطر وجود خازن در ساختار DRAMs سرعت دسترسی به داده ها با سرعت شارژ و دشارژ خازن معادل می باشد. حافظه هایDRAM حافظه های فرار هستند، یعنی زمانی که توان از تراشه قطع شود داده های ذخیره شده از بین می روند. فاصله زمانی میان شارژ مجدد به نشت جریان از خازن بستگی دارد.
گنجایش انباره ی بار خازن، با ظرفیت الکتریکی آن مشخص می شود که می تواند با کاهش ضخامت لایه دی الکتریک افزایش یابد. این کار توسط ماده دی الکتریکی با ثابت دی الکتریک بالا صورت می گیرد. مطالعات وسیعی بر روی اکسیدهایی با ثابت دی الکتریک بالا صورت گرفته است. این اکسیدهای با ثابت k بالا نمی توانند به طور مستقیم بر روی سرپوش پلی کریستال سیلیکون
رشد یابند. زیرا سرپوش در طول مدت فرابری اکسید مورد نظر خودش اکسید می شود و اکسایش سرپوش باعث کاهش ظرفیت الکتریکی کل ساختار می شود. علاوه براین یک الکترود پایین که از اکسایش سرپوش جلوگیری کند و در شرایط اکسیداسیون بالاهادی باقی بماند، نیز مورد نیاز است. فلزات نجیب پلاتین،ایردیوم، روتنیوم مواد االکترود بالقوه برای خازن های حافظه DRAM که دی الکتریک هایی با ثابت K بالا دارند، می باشند.
الکترودهایی برای دی الکتریک Ta2O5
روتنیوم ماده ای با خواص بالقوه برای الکترود پایین خازن هایی با دی الکتریک Ta2O5 است. زیرا Ta2O5 که روی الکترودهای روتنیوم رشد می یابد، ثابت دی الکتریک بالا و جریان نشتی پایینی دارد. بر اساس تحقیقات، ثابت های دی الکتریک فیلم های Ta2O5 کریستالی در محدوده 45 - 110 می باشند. در حالی که، ثابت های دی الکتریک فیلم های آمورف در محدوده 25 - 32 قرار دارند. بنابراین به منظور افزایش ثابت های دی الکتریک باید از فیلم های Ta2O5 کریستالی استفاده کرد. کریستال سازی به صورت پخت سریع و در دماهای 700 C یا بالاتر انجام می شود.
اگر فرآیند پخت در دمای بالا در فضای پرشده از اکسیژن انجام شود، الکترود پایین روتنیوم قطعاً اکسید شده و تبدیل به RuO2می شود.
با تشکیل دی اکسید روتنیوم به دلیل زبرشدن سطح مشترک بین الکترود - دی اکسید روتنیوم جریان نشتی افزایش خواهد یافت. علاوه براین به منظور جلوگیری از اکسایش روتنیوم در دماهای بالای پخت به RuO2معمولاً این کار در فضای پر شده از گاز نیتروژن یا در خلا انجام می شود.[1,2]پلاتین، فلز نجیب مستعدی است که به عنوان الکترود پایین برای دی الکتریک Ta2O5 به کارمی رود. پلاتین مقاومت بالایی دربرابر اکسایش دارد. بنابراین می تواند در دماهای بالای پخت در فضای آکنده از اکسیژن مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه اکسیژن به راحتی در سراسر پلاتین پخش می شود، اما لایه ای از پلاتین را که دورتر از محل تماس آن با Ta2O5 قرار دارد، اکسید می کند.[1]
الکترودهایی برای دی الکتریک - Ba,Sr - TiO3
BST، یک ماده دی الکتریک کارآمد برای خازن های DRAM، به دلیل داشتن ثابت دی الکتریک بالا - - > 200 است. علاوه براین جریان نشتی پایینی دارد. دماهای بالای لایه نشانی - > 500 C - یا پخت سریع برای به دست آوردن ساختار کریستالی مورد نظر ترکیبات تیتانیوم از فیلم های BST مورد نیاز است.پلاتین به عنوان یک ماده عالی الکترودی برای دی الکتریک BST محسوب می شود. زیرا با رشد BST روی الکترودهای پلاتین جریان نشتی بسیار اندکی به دست می آید. جریان نشتی پایین از ملزومات داشتن یک سد پتانسیل بالا در سطح مشترک بین پلاتین و BST است. پلاتین تابع کار بالایی دارد، بنابراین یک سد مرتفع برای نشت با روش انتشار اسکاتی محصوب می شود.
از دلایل دیگر کاهش جریان های نشتی: سطح مشترک صاف،یکنواخت و بدون زبری بین پلاتین و BST است که به دلیلمقاومت بالای پلاتین در برابر اکسایش به دست می آید. پلاتیننمی تواند به طورمستقیم روی سرپوش پلی سیلسیوم رشد یابد،زیرا با پلی سیلسیوم واکنش داده و سیلیکاد پلاتین را تولید می کند. علاوه بر این یک لایه سد هادی که بتواند از تشکیل سیلیکادجلوگیری کرده و چسبندگی را بین سرپوش پلی سیلسیوم والکترود پلاتین افزایش دهد، مورد نیاز است. از ساختار ساده پلی سیلسیوم / سد / پلاتین BST /، به دلیل نفوذ پذیری بالای پلاتین نسبت به اکسیژن نمی توان استفاده کرد. نشر اکسیژن از میان پلاتین
