Dlaczego warto stosować materiały o wysokim współczynniku k jako materiały warstwy dielektrycznej bramki?

Dlaczego warto stosować materiały o wysokim współczynniku k jako materiały warstwy dielektrycznej bramki?

Jak rozwinęła się warstwa dielektryczna bramki? Dlaczego zaawansowany proces wykorzystuje materiały o wysokiej wartości k jako warstwę dielektryczną bramki?

Jakiego materiału używa się do budowy warstwy dielektrycznej bramek zaawansowanych węzłów?

Węzeł technologiczny	Cechy konstrukcyjne	High-k Średni
		nMOS	pMOS
45nm	Płaski	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32nm	Płaski	HfO₂	HfO₂
22nm	FinFET/Tri-gate	HfO₂	HfO₂
14nm	FinFET/Tri-gate	HfO₂	HfO₂

Jak pokazano w tabeli powyżej, w węźle 45 nm i poniżej stosowany jest proces HKMG (High-k Metal Gate), a materiał o wysokiej wartości k jest używany jako warstwa dielektryczna bramki; węzły powyżej 45 nm wykorzystują głównie tlenek krzemu jako warstwę dielektryczną bramki.

Czym jest warstwa dielektryczna bramki?

Jak pokazano na powyższym rysunku, szary obszar na górze diagramu przedstawia bramkę, a napięcie jest przyłożone do bramki, aby kontrolować tworzenie kanału prądowego między źródłem a drenem. Jasnożółta warstwa poniżej bramki przedstawia warstwę dielektryczną bramki, izolując bramkę i monokrystaliczne podłoże od przewodzenia prądu stałego.

Czym jest prąd upływu bramki?

W miarę jak węzeł procesu się kurczy, rozmiar układu scalonego maleje, a warstwa tlenku bramki staje się coraz cieńsza. Gdy warstwa dielektryczna bramki jest bardzo cienka (mniej niż 2 nm) lub gdy występują wysokie napięcia, elektrony przechodzą przez warstwę dielektryczną dzięki efektowi tunelowania, co powoduje powstanie prądu upływu między bramką a podłożem.

Problemy spowodowane prądami upływowymi?

Pobór mocy układu scalonego wzrasta, generowanie ciepła wzrasta, a prędkość przełączania maleje. Na przykład w obwodach logicznych prądy upływu mogą powodować dryft poziomu w obwodach logicznych na poziomie bramki.

Dlaczego warto stosować materiały o wysokiej wartości współczynnika k?

Materiały dielektryczne o wysokiej wartości k mają wyższą stałą dielektryczną (wartość k) niż konwencjonalny SiO₂. Rodzaje mediów o wysokiej wartości k to:

Materiał o wysokiej wartości k	Stała dielektryczna
Tlenek hafnu HfO2	25
Tlenek tytanu TiO2	30-80
Cyrkonia ZrO2	25
Pięciotlenek tantalu Ta2O5	25-50
Tytanian baru i strontu BST	100-800
Tytanian strontu STO	230+
Tytanian ołowiu PZT	400-1500

Wzór na pojemność: C=ϵ⋅A\d

ε\d to stała dielektryczna, AA to powierzchnia kondensatora, a dd to grubość warstwy dielektrycznej.

Jak pokazano we wzorze, im większe ε przy pewnym C, tym mniejszy stosunek A/d. Nawet przy dielektryku o wysokim współczynniku k możliwe jest zwiększenie grubości warstwy dielektrycznej przy zachowaniu pojemności. Fizyczna grubość materiałów o wysokim współczynniku k jest ponad 3~6 razy większa niż tlenku krzemu, ponieważ prąd tunelowania elektronicznego jest wykładniczo zależny od grubości warstwy izolacyjnej, co znacznie zmniejszy efekt tunelowania kwantowego warstwy dielektrycznej bramki, skutecznie poprawiając tym samym prąd upływu bramki.