Miért használjunk nagy teljesítményű anyagokat kapudielektromos réteganyagként?

Miért használjunk nagy teljesítményű anyagokat kapudielektromos réteganyagként?

Hogyan alakult ki a kapu dielektromos rétege? Miért használ a fejlett eljárás magas k-értékű anyagokat a kapu dielektromos rétegeként?

Mit használnak a fejlett csomópontok kapudielektromos rétegéhez?

Technológiai csomópont	Szerkezeti jellemzők	High-k Közepes
		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

Amint a fenti táblázatban látható, a 45 nm-es csomópontnál és az alatt a HKMG (High-k Metal Gate) eljárást alkalmazzák, és a magas k-értékű anyagot használják kapu dielektromos rétegként; A 45 nm feletti csomópontok főként szilícium-oxidot használnak kapu dielektromos rétegként.

Mi az a kapu dielektromos réteg?

Amint a fenti ábrán látható, a diagram tetején lévő szürke terület a kaput jelöli, és a kapura feszültséget kapcsolnak, hogy szabályozzák az áramcsatorna kialakulását a forrás és a lefolyó között. A kapu alatti világossárga réteg a kapu dielektromos rétegét képviseli, elszigeteli a kaput és az egykristály hordozót az egyenáram vezetésétől.

Mi az a kapu szivárgási árama?

Ahogy a folyamatcsomópont zsugorodik, a forgács mérete csökken, és a kapu oxidrétege tovább vékonyodik, és amikor a kapu dielektromos réteg nagyon vékony (2 nm-nél kisebb) vagy nagy feszültségű, az elektronok áthaladnak a dielektromos rétegen az alagúthatáson keresztül, ami szivárgó áramot eredményez a kapu és a hordozó között.

Szivárgó áram okozta problémák?

Növekszik a chip áramfelvétele, nő a hőtermelés, csökken a kapcsolási sebesség. Például a logikai áramkörökben a szivárgó áramok szinteltérést okozhatnak a kapuszintű logikai áramkörökben.

Miért használjunk magas minőségű anyagokat?

A magas k dielektromos anyagok dielektromos állandója (k-értéke) nagyobb, mint a hagyományos SiO2-é. A nagy teljesítményű média típusai a következők:

Magas minőségű anyag	Dielektromos állandó
Hafnium HfO2 oxid	25
Titán-oxid TiO2	30-80
cirkónium-oxid ZrO2	25
Tantál-pentoxid Ta2O5	25-50
Bárium stroncium-titanát BST	100-800
Stroncium-titanát STO	230+
Ólom-titanát PZT	400-1500

Kapacitásképlet: C=ϵ⋅A\d

ε\d a dielektromos állandó, AA a kondenzátor területe, dd pedig a dielektromos réteg vastagsága.

Ahogy a képlet mutatja, minél nagyobb az ε egy bizonyos C mellett, annál kisebb az A/d arány. Még egy magas k dielektrikummal is meg lehet növelni a dielektromos réteg vastagságát a kapacitás megtartása mellett. A nagy k-értékű anyagok fizikai vastagsága több mint 3-6-szorosa a szilícium-oxidénak, mivel az elektronikus alagútáram exponenciálisan összefügg a szigetelőréteg vastagságával, ami jelentősen csökkenti a kapu dielektromos rétegének kvantum-alagút hatását, ezáltal hatékonyan javítja a kapu szivárgó áramát.