Warum High-k-Materialien als Gate-Dielektrikum-Schichtmaterialien verwenden?

Warum High-k-Materialien als Gate-Dielektrikum-Schichtmaterialien verwenden?

Wie entwickelte sich die Gate-Dielektrikumschicht? Warum werden im modernen Verfahren High-k-Materialien als Gate-Dielektrikumschicht verwendet?

Was wird für die Gate-Dielektrikumschicht von erweiterten Knoten verwendet?

Technologieknoten	Strukturelle Merkmale	High-k-Mittel
		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

Wie in der obigen Tabelle gezeigt, wird am 45-nm-Knoten und darunter das HKMG-Verfahren (High-k Metal Gate) verwendet und das High-k-Material wird als Gate-Dielektrikumsschicht verwendet; Knoten über 45 nm verwenden hauptsächlich Siliziumoxid als Gate-Dielektrikumsschicht.

Was ist eine Gate-Dielektrikumschicht?

Wie in der Abbildung oben dargestellt, stellt der graue Bereich oben im Diagramm das Gate dar. An das Gate wird eine Spannung angelegt, um die Bildung eines Stromkanals zwischen Quelle und Abfluss zu steuern. Die hellgelbe Schicht unter dem Gate stellt die Gate-Dielektrikumschicht dar, die das Gate und das Einkristallsubstrat von der Gleichstromleitung isoliert.

Was ist Gate-Leckstrom?

Wenn der Prozessknoten schrumpft, verringert sich die Chipgröße und die Gate-Oxidschicht wird immer dünner. Wenn die Gate-Dielektrikumschicht sehr dünn ist (weniger als 2 nm) oder hohe Spannungen vorliegen, gelangen Elektronen aufgrund des Tunneleffekts durch die Dielektrikumschicht, was zu einem Leckstrom zwischen dem Gate und dem Substrat führt.

Probleme durch Kriechströme?

Der Stromverbrauch des Chips steigt, die Wärmeerzeugung nimmt zu und die Schaltgeschwindigkeit nimmt ab. In Logikschaltungen können Leckströme beispielsweise zu Pegeldrift in Gate-Level-Logikschaltungen führen.

Warum High-k-Materialien verwenden?

High-k-Dielektrika haben eine höhere Dielektrizitätskonstante (k-Wert) als herkömmliches SiO₂. Die Arten von High-k-Medien sind:

High-k-Material	Dielektrizitätskonstante
Hafniumoxid HfO2	25
Titanoxid TiO2	30-80
Zirkonia ZrO2	25
Tantalpentoxid Ta2O5	25-50
Barium-Strontium-Titanat BST	100-800
Strontiumtitanat STO	230+
Bleititanat PZT	400-1500

Kapazitätsformel: C=ϵ⋅A\d

ε\d ist die Dielektrizitätskonstante, AA ist die Fläche des Kondensators und dd ist die Dicke der dielektrischen Schicht.

Wie in der Formel gezeigt, ist das A/d-Verhältnis umso kleiner, je größer das ε bei einem bestimmten C ist. Selbst mit einem High-k-Dielektrikum ist es möglich, die Dicke der dielektrischen Schicht zu erhöhen und gleichzeitig die Kapazität beizubehalten. Die physikalische Dicke von High-k-Materialien ist mehr als 3- bis 6-mal so dick wie die von Siliziumoxid, da der elektronische Tunnelstrom exponentiell mit der Dicke der Isolierschicht zusammenhängt, was den Quantentunneleffekt der Gate-Dielektrikumschicht erheblich verringert und dadurch den Gate-Leckstrom effektiv verbessert.