Hvorfor bruke høyk-materialer som gate-dielektriske lagmaterialer?

Hvorfor bruke høyk-materialer som gate-dielektriske lagmaterialer?

Hvordan utviklet det gate dielektriske laget seg? Hvorfor bruker den avanserte prosessen høyk-materialer som det dielektriske gatelaget?

Hva brukes til det dielektriske portlaget til avanserte noder?

Teknologinode	Strukturelle egenskaper	Høy-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

Som vist i tabellen ovenfor, ved 45nm-noden og under, brukes HKMG-prosessen (High-k Metal Gate), og høy-k-materialet brukes som det dielektriske gatelaget; Noder over 45nm bruker hovedsakelig silisiumoksid som det dielektriske portlaget.

Hva er et gate dielektrisk lag?

Som vist i figuren ovenfor, representerer det grå området øverst i diagrammet porten, og en spenning påføres porten for å kontrollere dannelsen av en strømkanal mellom kilden og avløpet. Det lysegule laget under porten representerer det dielektriske portlaget, og isolerer porten og enkeltkrystallsubstratet fra likestrømsledning.

Hva er Gate Leakage Current?

Når prosessnoden krymper, avtar brikkestørrelsen, og portoksidlaget fortsetter å tynnes, og når det dielektriske portlaget er veldig tynt (mindre enn 2nm) eller ved høye spenninger, passerer elektroner gjennom det dielektriske laget gjennom tunneleffekten, resulterer i en lekkasjestrøm mellom porten og underlaget.

Problemer forårsaket av lekkasjestrømmer?

Strømforbruket til brikken øker, varmeutviklingen øker, og svitsjehastigheten reduseres. For eksempel, i logiske kretser, kan lekkasjestrømmer forårsake nivådrift i gate-nivå logiske kretser.

Hvorfor bruke høyk-materialer?

Høy-k dielektriske materialer har en høyere dielektrisk konstant (k-verdi) enn konvensjonell SiO2. Typene høyk-medier er:

Høyk-materiale	Dielektrisk konstant
Hafnium HfO2 oksid	25
Titanoksid TiO2	30-80
Zirconia ZrO2	25
Tantalpentoksid Ta2O5	25-50
Barium strontiumtitanat BST	100-800
Strontiumtitanat STO	230+
Blytitanat PZT	400-1500

Kapasitansformel: C=ϵ⋅A\d

ε\d er den dielektriske konstanten, AA er arealet av kondensatoren, og dd er tykkelsen på det dielektriske laget.

Som vist i formelen, jo større ε ved en viss C, jo mindre er A/d-forholdet. Selv med et høyk-dielektrisk er det mulig å øke tykkelsen på det dielektriske laget samtidig som kapasitansen opprettholdes. Den fysiske tykkelsen av høyk-materialer er mer enn 3 ~ 6 ganger den for silisiumoksid, fordi den elektroniske tunnelstrømmen er eksponentielt relatert til tykkelsen på isolasjonslaget, noe som vil redusere kvantetunneleffekten til det dielektriske gatelaget betydelig, for derved effektivt å forbedre portlekkasjestrømmen.