چرا از مواد High-k به عنوان مواد لایه دی الکتریک گیت استفاده می کنیم؟

چرا از مواد High-k به عنوان مواد لایه دی الکتریک گیت استفاده می کنیم؟

لایه دی الکتریک دروازه چگونه ایجاد شد؟ چرا در فرآیند پیشرفته از مواد با کیفیت بالا به عنوان لایه دی الکتریک دروازه استفاده می شود؟

چه چیزی برای لایه دی الکتریک دروازه گره های پیشرفته استفاده می شود؟

گره فناوری	ویژگی های ساختاری	بالا-k متوسط
		nMOS	pMOS
45 نانومتر	مسطح	HfO2/ZrO	HfO2/ZrO
32 نانومتر	مسطح	HfO2	HfO2
22 نانومتر	FinFET/Tri-Gate	HfO2	HfO2
14 نانومتر	FinFET/Tri-Gate	HfO2	HfO2

همانطور که در جدول بالا نشان داده شده است، در گره 45 نانومتری و پایین، از فرآیند HKMG (High-k Metal Gate) استفاده شده است، و مواد high-k به عنوان لایه دی الکتریک گیت استفاده می شود. گره های بالای 45 نانومتر عمدتا از اکسید سیلیکون به عنوان لایه دی الکتریک دروازه استفاده می کنند.

لایه دی الکتریک گیت چیست؟

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، ناحیه خاکستری بالای نمودار نشان دهنده گیت است و ولتاژی به گیت اعمال می شود تا تشکیل یک کانال جریان بین منبع و تخلیه را کنترل کند. لایه زرد روشن زیر دروازه نمایانگر لایه دی الکتریک گیت است که دروازه و بستر تک کریستالی را از هدایت جریان مستقیم جدا می کند.

جریان نشتی گیت چیست؟

با کوچک شدن گره فرآیند، اندازه تراشه کاهش می‌یابد، و لایه اکسید گیت به نازک شدن ادامه می‌دهد، و زمانی که لایه دی الکتریک گیت بسیار نازک است (کمتر از 2 نانومتر) یا در ولتاژهای بالا، الکترون‌ها از لایه دی الکتریک از طریق اثر تونل زنی عبور می‌کنند. در نتیجه جریان نشتی بین دروازه و زیرلایه ایجاد می شود.

مشکلات ناشی از جریان های نشتی؟

مصرف برق تراشه افزایش می یابد، تولید گرما افزایش می یابد و سرعت سوئیچینگ کاهش می یابد. به عنوان مثال، در مدارهای منطقی، جریان های نشتی می توانند باعث تغییر سطح در مدارهای منطقی سطح دروازه شوند.

چرا از مواد با کیفیت بالا استفاده کنیم؟

مواد دی الکتریک با k بالا، ثابت دی الکتریک (k-value) بالاتری نسبت به SiO2 معمولی دارند. انواع رسانه های k بالا عبارتند از:

مواد با کیفیت بالا	ثابت دی الکتریک
اکسید هافنیوم HfO2	25
اکسید تیتانیوم TiO2	30-80
زیرکونیا ZrO2	25
پنتوکسید تانتالیوم Ta2O5	25-50
باریم استرانسیوم تیتانات BST	100-800
استرانسیوم تیتانات STO	230+
تیتانات سرب PZT	400-1500

فرمول ظرفیت: C=ε⋅A\d

ε\d ثابت دی الکتریک، AA مساحت خازن و dd ضخامت لایه دی الکتریک است.

همانطور که در فرمول نشان داده شده است، هرچه ε در یک C معین بزرگتر باشد، نسبت A/d کوچکتر است. حتی با یک دی الکتریک با k بالا، می توان ضخامت لایه دی الکتریک را با حفظ ظرفیت خازنی افزایش داد. ضخامت فیزیکی مواد با k بالا بیش از 3 تا 6 برابر اکسید سیلیکون است، زیرا جریان تونل الکترونیکی به طور نمایی با ضخامت لایه عایق مرتبط است، که به طور قابل توجهی اثر تونل کوانتومی لایه دی الکتریک دروازه را کاهش می دهد. بدین ترتیب جریان نشتی گیت به طور موثر بهبود می یابد.