Per què utilitzar materials d'alt k com a materials de capa dielèctrica de porta?

Per què utilitzar materials d'alt k com a materials de capa dielèctrica de porta?

Com es va desenvolupar la capa dielèctrica de la porta? Per què el procés avançat utilitza materials d'alta k com a capa dielèctrica de la porta?

Què s'utilitza per a la capa dielèctrica de la porta dels nodes avançats?

Node Tecnològic	Característiques estructurals	Alt k Mitjà
		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

Com es mostra a la taula anterior, al node de 45 nm i a continuació, s'utilitza el procés HKMG (High-k Metal Gate) i el material d'alt k s'utilitza com a capa dielèctrica de la porta; Els nodes per sobre de 45 nm utilitzen principalment òxid de silici com a capa dielèctrica de la porta.

Què és una capa dielèctrica de porta?

Com es mostra a la figura anterior, l'àrea grisa a la part superior del diagrama representa la porta i s'aplica una tensió a la porta per controlar la formació d'un canal de corrent entre la font i el drenatge. La capa de color groc clar a sota de la porta representa la capa dielèctrica de la porta, aïllant la porta i el substrat de cristall únic de la conducció de corrent continu.

Què és el corrent de fuga de la porta?

A mesura que el node del procés es redueix, la mida del xip disminueix i la capa d'òxid de la porta continua aprimant-se, i quan la capa dielèctrica de la porta és molt prima (menys de 2 nm) o a altes tensions, els electrons passen per la capa dielèctrica a través de l'efecte de túnel, resultant en un corrent de fuga entre la porta i el substrat.

Problemes causats per corrents de fuga?

El consum d'energia del xip augmenta, la generació de calor augmenta i la velocitat de commutació disminueix. Per exemple, en circuits lògics, els corrents de fuga poden provocar una deriva de nivell en els circuits lògics de nivell de porta.

Per què utilitzar materials d'alta k?

Els materials dielèctrics d'alt k tenen una constant dielèctrica (valor k) més alt que el SiO₂ convencional. Els tipus de mitjans d'alta k són:

Material d'alta k	Constant dielèctrica
Òxid d'hafni HfO2	25
Òxid de titani TiO2	30-80
Zirconi ZrO2	25
Pentòxid de tàntal Ta2O5	25-50
Titanat de bari estronci BST	100-800
Titanat d'estronci STO	230+
Titanat de plom PZT	400-1500

Fórmula de la capacitat: C=ϵ⋅A\d

ε\d és la constant dielèctrica, AA és l'àrea del condensador i dd és el gruix de la capa dielèctrica.

Com es mostra a la fórmula, com més gran sigui ε a un determinat C, més petita serà la relació A/d. Fins i tot amb un dielèctric d'alt k, és possible augmentar el gruix de la capa dielèctrica mantenint la capacitat. El gruix físic dels materials d'alt k és més de 3 ~ 6 vegades el de l'òxid de silici, perquè el corrent de túnel electrònic està relacionat de manera exponencial amb el gruix de la capa d'aïllament, cosa que reduirà significativament l'efecte de túnel quàntic de la capa dielèctrica de la porta, millorant així eficaçment el corrent de fuga de la porta.