Зачем использовать материалы с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости в качестве материалов для диэлектрического слоя затвора?

Зачем использовать материалы с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости в качестве материалов для диэлектрического слоя затвора?

Как развивался слой диэлектрика затвора? Почему в усовершенствованном процессе в качестве слоя диэлектрика затвора используются материалы с высокой проводимостью?

Что используется в качестве диэлектрического слоя затвора усовершенствованных узлов?

Технологический узел	Конструктивные особенности	High-k Средний
		nMOS	пМОП
45 нм	Плоский	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32 нм	Плоский	HfO₂	HfO₂
22 нм	ФинFET/Tri-затвор	HfO₂	HfO₂
14 нм	ФинFET/Tri-затвор	HfO₂	HfO₂

Как показано в таблице выше, в узле 45 нм и ниже используется процесс HKMG (High-k Metal Gate), а материал high-k используется в качестве диэлектрического слоя затвора; в узлах выше 45 нм в качестве диэлектрического слоя затвора в основном используется оксид кремния.

Что такое диэлектрический слой затвора?

Как показано на рисунке выше, серая область в верхней части диаграммы представляет собой затвор, и напряжение подается на затвор для управления образованием токового канала между истоком и стоком. Светло-желтый слой под затвором представляет собой слой диэлектрика затвора, изолирующий затвор и монокристаллическую подложку от проводимости постоянного тока.

Что такое ток утечки затвора?

По мере уменьшения технологического узла размер кристалла уменьшается, а оксидный слой затвора продолжает истончаться, а когда диэлектрический слой затвора очень тонкий (менее 2 нм) или при высоких напряжениях электроны проходят через диэлектрический слой за счет туннельного эффекта, что приводит к возникновению тока утечки между затвором и подложкой.

Проблемы, вызванные токами утечки?

Потребляемая мощность чипа увеличивается, тепловыделение увеличивается, а скорость переключения уменьшается. Например, в логических схемах токи утечки могут вызывать дрейф уровня в логических схемах уровня затвора.

Зачем использовать материалы с высоким коэффициентом теплопроводности?

Диэлектрические материалы с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (k-value) имеют более высокую диэлектрическую проницаемость (k-value), чем обычные SiO₂. Типы сред с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости:

Материал с высоким содержанием калия	Диэлектрическая постоянная
Оксид гафния HfO2	25
Оксид титана TiO2	30-80
Цирконий ZrO2	25
Пентаоксид тантала Ta2O5	25-50
Титанат бария-стронция BST	100-800
Титанат стронция STO	230+
Титанат свинца ЦТС	400-1500

Формула емкости: C=ϵ⋅A\d

ε\d — диэлектрическая проницаемость, AA — площадь конденсатора, dd — толщина диэлектрического слоя.

Как показано в формуле, чем больше ε при определенном C, тем меньше отношение A/d. Даже с high-k диэлектриком можно увеличить толщину диэлектрического слоя, сохранив емкость. Физическая толщина high-k материалов более чем в 3~6 раз больше, чем у оксида кремния, поскольку электронный туннельный ток экспоненциально связан с толщиной изоляционного слоя, что значительно уменьшит квантовый туннельный эффект диэлектрического слоя затвора, тем самым эффективно улучшив ток утечки затвора.