DRAMi kondensaator

DRAMi kondensaator (ingl. k. > DRAM capacitor) on dünaamilise muutmälu üks põhi osiseid transistori kõrval. Mälu ühe infobiti kahele loogilisele olekule vastavad laetud ja laadimata kondensaator. DRAMis kasutatav kondensaator on enamasti plaatkondensaatori tüüpi. Rahvusvaheline pooljuhttööstuse teekaart (ingl. k. > ITRS- ) on juba aastaid toonud välja järgmiste põlvkondade DRAMi kondensaatorite parameetrite nõutavad väärtused . Neid väärtusi võetakse kui eesmärke DRAMi arendustöös. Kuivõrd Moore seaduse (ingl. k. > ) järgi üldine trend elektroonikatööstuses on üha vähenevad seadiste mõõtmed, vajatakse ka DRAM kondensaatorite puhul üha uusi lahendusi mõõtmete vähendamiseks ilma, et olulised parameetrid halveneksid. Olulisemad parameetrid on (sulgudes ITRS nõuded aastaks 2017): 
(a) suur mahtuvustihedus (≥ 25 fF/mälurakk)
(b) kõrge dielektriline läbitavus (≥ 60)
(c) väikesed mäluraku mõõtmed (≤ 0,0024 µm²/mälurakk)
(d) suhteliselt madal valmistamisprotsessi temperatuur (≤ 650 ˚C)
(e) väikesed lekkevoolud (≤ 107,9 nA/cm²)
(f) väike kondensaatori dielektrikkihi paksus (≤ 7 nm)
(g) väike CET (ingl. k. > Capacitance effective thickness) (≤ 0,45 nm)

Nõuded DRAM kondensaatorile ning kasutatavad mäluraku struktuurid

Kondensaatori mahtuvus on võrdelises seoses tema pindala ja dielektrilise läbitavusega ning pöördvõrdelises seoses dielektrikkihi paksusega. Mahtuvuse suurendamiseks on seega võimalik suurendada kondensaatori pindala/dielektrilist läbitavust ja/või vähendada dielektrikkihi paksust. Kuivõrd trendiks on vähenevad mäluraku mõõtmed, ei saa planaarselt suurendada kondensaatori pindala. Pindala suurendamiseks on kasutusel peamiselt kaht tüüpi lahendusi: kondensaatori ehitamine "auku" (ingl. k. > trench) või kondensaatori ehitamine "peale" (ingl. k. > stack) ehk ka nn tornkondensaator. Need on nn 3D-struktuuriga kondensaatorid. Trenchide ja stackide läbimõõdu-sügavuse suhe (ingl. k. > aspect ratio) on enamasti vahemikus 1:10 kuni 1:60. Tööstuses on eelistatud stack tüüpi kondensaatorid, sest need valmistatakse CMOS-tehnoloogias peale transistori ning erinevalt trench tüüpi struktuurist ei pea need taluma transistori lõõmutamiseks vajalikku kõrget temperatuuri.
Mahtuvus suureneb dielektrikkihi paksuse vähenemisega, seega võiks lõpmata väikese kihi paksusega saada lõpmata suuri mahtuvusi. Praktikas aga tuleb siinkohal silmas pidada ka kondensaatori lekkevoolusid, mis väga õhukeste dielektrikkilede korral (alla paari nm) on enamasti liiga suured. Seetõttu tuleb vaadata materjale, mis ka piisavalt suure paksuse korral (10 nm) annaks suuri mahtuvusi: suure dielektrilise läbitavusega (ingl. k. > High-κ dielectric) materjalid. Mitmesuguste metallide oksiidid omavad kõrget dielektrilist läbitavust, mis võimaldavad saavutada suuri mahtuvusi, madalate lekkevoolude seisukohalt on oluline aga lai keelutsoon. Paraku on aga dielektriline läbitavus ja keelutsooni laius teineteisega põhimõtteliselt pöördvõrdelises seoses, "materjalide maailmas" ühe suurenedes teine väheneb. Kuna DRAMide puhul on pigem nõutav suur mahtuvustihedus ja keskmisel tasemel lekkevoolud, kasutataksegi pigem suure dielektrilise läbitavuse aga pigem pooljuhtidele omase keelutsooni laiusega materjale. Näiteks välkmälude korral on see dielektrikkihi materjali valik pigem DRAMile vastupidine: nõutav on lai keelutsoon ja keskmine dielektriline läbitavus.
Sõltuvalt DRAMi raku valmistamise protseduurist saab tihti piiravaks faktoriks temperatuur. Dielektrikkihi kõrgema dielektrilise läbitavuse saavutamiseks (tihti seega materjali kristallisatsiooniks) on vajalik struktuuri lõõmutamine kõrgel temperatuuril (T ˃ 800 ˚C). Selline kõrge temperatuur mõjub aga tihti hävitavalt mõnele teisele DRAM struktuuri osale, näiteks kondensaatori elektroodile või transistorile. Seega tuleb DRAMi kondensaatorites kasutada pigem materjale, mis kõrge dielektrilise konstandiga struktuuri saavutamiseks nii kõrget temperatuuri ei vaja.
Madalate lekivoolude saavutamiseks on võimalik kasutada metallelektroode, mis on suure väljumistööga ja/või dielektrikkihi lisandamist (0,1–2% Al, Co jt). Lisandamine aitab põhimaterjali kristallisatsiooni hoida mõõdukal tasemel, misläbi tekib oluliselt vähem kogu kilet läbivaid kristalliitide piirpindu, mis tihti ongi lekivoolude aluseks.

Kasutatavad materjalid

Dielektrikmaterjalid:
TiO₂ – valmistatakse peamiselt ALD-meetodil, rutiili kristallfaasis väga kõrge dielektriline läbitavus (kuni 180), kitsas keelutsoon (3,2 eV). ITRSi järgi järgmise põlvkonna (noodi suurus alla 20 nm) DRAM kondensaatorite dielektrikmaterjal. Epitaksiaalne kasv rutiili faasis RuO₂ elektroodidele ka juba madalatel temperatuuridel (100 ˚C).
SrTiO₃ – valmistatakse peamiselt tolmustamismeetodil, väga kõrge dielektriline läbitavus (isegi üle 200). ALD-meetodil kindla stöhhiomeetriaga kilede valmistamine on keeruline. Tõenäoliselt kaugema tuleviku DRAM kondensaatorite dielektrikmaterjal.
Ta₂O₃ – valmistatakse peamiselt MO-CVD-meetodil, dielektriline läbitavus on mõõdukas (25), keelutsoon aga kitsas (4,4 eV). Suhteliselt reaktiive oksiid, eriti selliste metallelektroodidega nagu TiN.
HfO₂ – valmistatakse peamiselt ALD-meetodil, dielektriline läbitavus on mõõdukas (21), keelutsoon samuti mõõdukas (6). Probleemid kristallfaasi stabiilsusega ja sobivusega CMOS-tehnoloogiasse.
Al₂O₃ – valmistatakse peamiselt ALD-meetodil, dielektriline läbitavus on väike (9), keelutsoon aga lai (8,8 eV). Väga vähe reaktiive ning valmistatakse amorfses faasis, mistõttu on see sile ja lekkekanaliteta. Hea difusioonibarjäär.
SiO₂ – "vanema põlvkonna" dielektrikmaterjal, stabiilne oksiid, madal dielektriline läbitavus (3,9), aga lai keelutsoon (9 eV).
Elektroodmaterjalid: Pt, Ru, RuO₂, TiN, TaN, Ir.

DRAM kondensaatori ehituse evolutsioon

Viimase 30 aasta jooksul on tehnika areng võimaldanud DRAMi raku mõõtmetes jõuda alla 100 nm piiri.
Aastatel 1982–1985 kasvas DRAMi tihedus 64 Kb-lt 1 Mb-ni , kasutati planaarseid (2D) kondensaatoreid. Algse PIS (poly-insulator-silicon) struktuuri asemel hakati kondensaatoritel kasutama PIP (poly-insulator-poly) struktuuri. Stack ehk pealeehitatud tüüpi kondensaatoreid DRAM rakenduses tutvustas maailmale esmakordselt Koyanagi aastal 1978 , kuid tööstuslikku 1 Mb DRAMi jõudsid need alles 1985. aastal .
Ajavahemikul 1986–1990 kasvas DRAMi tihedus 1 Mb-lt 16 Mb-ni, noodi ehk sisuliselt paisukanali pikkus muutus 800 nm-lt 400 nm-ni. Need mälurakud olid juba 3D-ülesehitusega ja kasutasid SiO₂/Si₃N₄ dielektrikuid ehk nn ON (oxide-nitride) või ONO (oxide-nitride-oxide) ülesehitust.
Aastatel 1991–2000 arenes DRAMi tihedus 64 Mb-lt juba ligi 1 Gb-ni. Nood CMOS-tehnoloogias muutus 400 nm-lt 160 nm-ni. 3D-kondensaatori struktuur ei olnud enam piisav vajaliku mahtuvuse saavutamiseks, optimeeriti Si₃N₄ valmistamist nii, et see annaks piisavalt suure mahtuvuse ja piisavalt madala lekkevoolu. Dielektriku valmistamise protsessis hakati kasutama madalamaid temperatuure kohandumaks CMOS-platvormidega. Kasutusele võeti poolkerakujuliste teradega (ingl. k. > HSG- Hemi-spherical grained) polüräni elektroodid, noodi suurus seejuures oli 180 nm ja 150 nm . HSG elektroodidega saavutati suurem DRAMi kondensaatori tööpind.
2001. aastal loobuti Si₃N₄ kasutamisest dielektrikkihina, seda eelkõige selle materjalikihi valmistamisel vajatava kõrgetemperatuurilise lõõmutuse tõttu. Räninitriidi asemel hakati DRAMi kondensaatorite dielektrikuna kasutama 1 Gb kiipides Ta₂O₅  ja 4 Gb kiipides Al₂O₃ . Tehnoloogia nood kahanes tolleks hetkeks juba 100 nm-ni. Peamiseks elektroodi materjaliks oli TiN, samas jätkusid uurimistööd suurema väljumistööga ja oksüdeerumiskindlamate, WN  ja Ru , elektroodide kasutamiseks. Sarnase ehitusega mälurakkudega alistati ka 100 nm CMOS-tehnoloogia piir.
2005. aastal lisandusid DRAMi kondensaatorite tööstuses kasutatavate dielektrikmaterjalide hulka ZrO₂ ja HfO₂ . Usutakse, et koos Ta₂O₅-ga suudavad need materjalid rahuldada nõutavad dielektrikkihi parameetrid kuni 20 nm noodiga CMOS-tehnoloogiani (ITRSi järgi aastani 2017). Noodi kahanemisega alla 20 nm on aga nõuded dielektrikule karmimad ja dielektriline läbitavus peab sellest piirist allpool olema üle 60 ning CET alla 0,45 nm.
Suund on võetud MIM (ingl. k. > Metal-Insulator-Metal) struktuuridele ja dielektrikmaterjalina plaanitakse alates 2017. aastast kasutada Ti baseeruvaid ühendeid nagu TiO₂ (kõige tõenäolisem), SrTiO₃ ja BaSrTiO₃, elektroodidena Ru, TiN või RuO2.

DRAM kondensaatorite valmistamise meetodid

Planaarse disainiga kondensaatori korral võib põhimõtteliselt kasutada palju erinevaid õhukeste kilede sadestusmeetodeid, kuid tänapäevaste, 3D-struktuuriga kondensaatorite korral on praktiliselt ainuvõimalikuks meetodiks ALD. ALD võimaldab saada konformaalseid ja kontrollitava paksusega üliõhukesi materjalikihte. Tänu iseküllastuvatele pinnareaktsioonidele (tegemist on keemilise sadestusmeetodiga) toimub ühtlane kile kasv ka geomeetrilise varju piirkonnas ehk siis trench- ja stack-tüüpi struktuuridel. ALD-le tüüpiline aeglane kile sadestuskiirus ei ole ka siinkohal probleemiks, sest vajataksegi üliõhukesi kihte.