De ce să folosiți materiale de înaltă k ca materiale de strat dielectric de poartă?

De ce să folosiți materiale de înaltă k ca materiale de strat dielectric de poartă?

Cum s-a dezvoltat stratul dielectric al porții? De ce procesul avansat folosește materiale de înaltă k ca strat dielectric de poartă?

Ce se folosește pentru stratul dielectric de poartă al nodurilor avansate?

Nodul Tehnologic	Caracteristici structurale	High-k Mediu
		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

După cum se arată în tabelul de mai sus, la nodul de 45 nm și mai jos, se utilizează procesul HKMG (High-k Metal Gate), iar materialul high-k este utilizat ca strat dielectric al poartă; Nodurile de peste 45 nm folosesc în principal oxid de siliciu ca strat dielectric de poartă.

Ce este un strat dielectric de poartă?

După cum se arată în figura de mai sus, zona gri din partea de sus a diagramei reprezintă poarta și se aplică o tensiune pe poartă pentru a controla formarea unui canal de curent între sursă și scurgere. Stratul galben deschis de sub poartă reprezintă stratul dielectric al porții, izolând poarta și substratul monocristal de conducția curentului continuu.

Ce este curentul de scurgere la poartă?

Pe măsură ce nodul de proces se micșorează, dimensiunea cipului scade, iar stratul de oxid de poartă continuă să se subțieze, iar atunci când stratul dielectric de poartă este foarte subțire (mai puțin de 2 nm) sau la tensiuni înalte, electronii trec prin stratul dielectric prin efectul de tunel, rezultând un curent de scurgere între poartă și substrat.

Probleme cauzate de curenții de scurgere?

Consumul de energie al cipului crește, generarea de căldură crește, iar viteza de comutare scade. De exemplu, în circuitele logice, curenții de scurgere pot provoca o deviere a nivelului în circuitele logice la nivel de poartă.

De ce să folosiți materiale de înaltă calitate?

Materialele dielectrice de înaltă k au o constantă dielectrică mai mare (valoare k) decât SiO₂ convențional. Tipurile de media high-k sunt:

Material high-k	Constanta dielectrica
Oxid de hafniu HfO2	25
Oxid de titan TiO2	30-80
Zirconiu ZrO2	25
pentoxid de tantal Ta2O5	25-50
Titanat de bariu stronțiu BST	100-800
Titanat de stronțiu STO	230+
Titanat de plumb PZT	400-1500

Formula capacității: C=ϵ⋅A\d

ε\d este constanta dielectrică, AA este aria condensatorului și dd este grosimea stratului dielectric.

După cum se arată în formulă, cu cât este mai mare ε la un anumit C, cu atât este mai mic raportul A/d. Chiar și cu un dielectric de înaltă k, este posibilă creșterea grosimii stratului dielectric, menținând în același timp capacitatea. Grosimea fizică a materialelor high-k este de peste 3 ~ 6 ori mai mare decât cea a oxidului de siliciu, deoarece curentul de tunel electronic este legat exponențial de grosimea stratului de izolație, ceea ce va reduce semnificativ efectul de tunel cuantic al stratului dielectric al porții, îmbunătățind astfel în mod eficient curentul de scurgere al porții.