Zašto koristiti High-k materijale kao materijale dielektričnog sloja kapije?

Zašto koristiti High-k materijale kao materijale dielektričnog sloja kapije?

Kako se razvio dielektrični sloj kapije? Zašto napredni proces koristi high-k materijale kao dielektrični sloj kapije?

Šta se koristi za gejt dielektrični sloj naprednih čvorova?

Tehnološki čvor	Strukturne karakteristike	High-k Medium
		nMOS	pMOS
45 nm	Planar	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32 nm	Planar	HfO₂	HfO₂
22 nm	FinFET/Tri-gate	HfO₂	HfO₂
14 nm	FinFET/Tri-gate	HfO₂	HfO₂

Kao što je prikazano u gornjoj tabeli, na 45nm čvoru i ispod, koristi se HKMG (High-k Metal Gate) proces, a high-k materijal se koristi kao dielektrični sloj gejta; Čvorovi iznad 45nm uglavnom koriste silicijum oksid kao dielektrični sloj kapije.

Šta je gejt dielektrični sloj?

Kao što je prikazano na gornjoj slici, sivo područje na vrhu dijagrama predstavlja gejt, a na gejt se primjenjuje napon kako bi se kontroliralo formiranje strujnog kanala između izvora i odvoda. Svijetložuti sloj ispod gejta predstavlja sloj dielektrika gejta, koji izoluje kapiju i monokristalnu podlogu od provodljivosti jednosmerne struje.

Šta je struja curenja kapije?

Kako se procesni čvor skuplja, veličina čipa se smanjuje, a sloj oksida gejta nastavlja da se stanji, a kada je dielektrični sloj kapije vrlo tanak (manji od 2nm) ili na visokim naponima, elektroni prolaze kroz dielektrični sloj kroz efekat tuneliranja, što rezultira strujom curenja između kapije i podloge.

Problemi uzrokovani strujama curenja?

Povećava se potrošnja energije čipa, povećava se proizvodnja topline, a brzina prebacivanja se smanjuje. Na primjer, u logičkim kolima, struje curenja mogu uzrokovati odstupanje nivoa u logičkim kolima na nivou gejta.

Zašto koristiti high-k materijale?

Dielektrični materijali visokog k imaju višu dielektričnu konstantu (k-vrijednost) od konvencionalnog SiO₂. Vrste high-k medija su:

High-k materijal	Dielektrična konstanta
Hafnijum HfO2 oksid	25
Titanijum oksid TiO2	30-80
Cirkonij ZrO2	25
Tantal pentoksid Ta2O5	25-50
Barijum stroncijum titanat BST	100-800
Stroncijum titanat STO	230+
Olovo titanat PZT	400-1500

Formula kapacitivnosti: C=ϵ⋅A\d

ε\d je dielektrična konstanta, AA je površina kondenzatora, a dd je debljina dielektričnog sloja.

Kao što je prikazano u formuli, što je veći ε na određenom C, to je manji odnos A/d. Čak i sa visokok dielektrikom, moguće je povećati debljinu dielektričnog sloja uz održavanje kapacitivnosti. Fizička debljina visokok materijala je više od 3~6 puta veća od silicijum oksida, jer je struja elektronskog tuneliranja eksponencijalno povezana sa debljinom izolacionog sloja, što će značajno smanjiti efekat kvantnog tuneliranja dielektričnog sloja kapije, čime se efektivno poboljšava struja curenja gejta.