Vysoká k
High-k je technologie výroby MOS polovodičových součástek s hradlovým dielektrikem z materiálu se statickou permitivitou větší než má oxid křemičitý (3.9). Materiály s vysokou permeabilitou, které se skutečně používají v elektronice, se nazývají "alternativní dielektrika", mezi nimi oxid zirkoničitý a oxid hafničitý (pro oba je propustnost asi 25). Název „high-k“ pochází z ne zcela standardního označení dielektrické konstanty písmenem (kappa), které bylo vzhledem k neuniverzálnímu rozšíření řeckých písem nahrazeno latinkou . Správná výslovnost je „hi-kay“, ale není neobvyklé říkat „hi-ka“. Tradičně se pro propustnost používá symbol (epsilon) , ale výraz "vysoká- " se neujal.
Odůvodnění použití
Oxid křemičitý, který se používá v tranzistorech MOS jako hradlový dielektrický materiál, má několik výhod:
- vyrostlé na povrchu krystalu vysokoteplotní oxidací, což umožňuje přesně kontrolovat jeho tloušťku a rovnoměrnost;
- má dobrou přilnavost ke silikonovému substrátu ;
- má nízkou koncentraci defektů.
- má dobré izolační vlastnosti;
- má vysokou chemickou a tepelnou stabilitu.
Při jeho použití však zmenšení velikosti tranzistorů naráží na zásadní potíže.
Saturační proud tranzistoru je:
,
kde
- ID je kanálový proud;
- W je šířka kanálu;
- L je délka kanálu;
- μ je pohyblivost nosiče;
- C inv je kapacita hradla, když je kanál v invertovaném stavu;
- V G - napětí na hradle tranzistoru;
- V T je napětí při vytváření inverzní vrstvy (rozpínací napětí tranzistoru).
Kapacita hradla tranzistoru s idealizovaným planparalelním tvarem je:
,
kde
- κ je dielektrická konstanta materiálu (někdy označovaná jako ε);
- ε 0 - elektrická konstanta ;
- S je oblast brány;
- d je tloušťka dielektrika.
Jak se plocha tranzistoru zmenšuje, kapacita brány se snižuje, což omezuje proud, který jím protéká. Jedním ze způsobů, jak zvýšit kapacitu hradla, je snížit tloušťku dielektrika hradla. Ale když je tloušťka menší než 3 nm, vzniká svodový proud v důsledku tunelování nábojů přes dielektrikum. S dalším zmenšováním tloušťky dielektrika se svodový proud exponenciálně zvyšuje.
Dalším problémem, který vzniká při poklesu tloušťky dielektrika hradla, je pokles spolehlivosti zařízení. Pohyb nosičů náboje v tranzistoru vede ke vzniku defektů v dielektriku a na jeho rozhraní se substrátem. Snížení tloušťky dielektrika snižuje kritickou úroveň počtu defektů, při jejichž dosažení zařízení selže .
Vytvoření dielektrického materiálu hradla s materiálem s vysokou permitivitou umožňuje zvětšit jeho tloušťku při současném zvýšení kapacity hradla, což poskytuje snížení svodového proudu o několik řádů ve srovnání s tenčím dielektrikem z oxidu křemičitého, které poskytuje stejnou kapacitu hradla.
Viz také
Poznámky
Literatura
- High-k Gate Dielectrics / Michel Houssa. - CRC Press, 2004. - 601 s. - (Série v materiálových vědách a inženýrství). — ISBN 0750309067 .
- Springerova příručka elektronických a fotonických materiálů / Safa Kasap, Peter Capper, Cyril Koughia. - Springer, 2007. - 1406 s. - (Jarní příručky). — ISBN 0387291857 .