¿Por qué utilizar materiales de alto k como materiales de capa dieléctrica de puerta?

¿Por qué utilizar materiales de alto k como materiales de capa dieléctrica de puerta?

¿Cómo se desarrolló la capa dieléctrica de la compuerta? ¿Por qué el proceso avanzado utiliza materiales de alta k como capa dieléctrica de la compuerta?

¿Qué se utiliza para la capa dieléctrica de la puerta de los nodos avanzados?

Nodo tecnológico	Características estructurales	Alto-k medio
		Nmos	Pmos
45 nm	Planar	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32 nm	Planar	HfO₂	HfO₂
22 nm	FinFET/Tri-puerta	HfO₂	HfO₂
14 nm	FinFET/Tri-puerta	HfO₂	HfO₂

Como se muestra en la tabla anterior, en el nodo de 45 nm y por debajo, se utiliza el proceso HKMG (High-k Metal Gate), y el material de alto k se utiliza como capa dieléctrica de la puerta; los nodos por encima de 45 nm utilizan principalmente óxido de silicio como capa dieléctrica de la puerta.

¿Qué es una capa dieléctrica de puerta?

Como se muestra en la figura anterior, el área gris en la parte superior del diagrama representa la compuerta, y se aplica un voltaje a la compuerta para controlar la formación de un canal de corriente entre la fuente y el drenador. La capa amarilla clara debajo de la compuerta representa la capa dieléctrica de la compuerta, que aísla la compuerta y el sustrato monocristalino de la conducción de corriente continua.

¿Qué es la corriente de fuga de compuerta?

A medida que el nodo de proceso se contrae, el tamaño del chip disminuye y la capa de óxido de la compuerta continúa adelgazándose, y cuando la capa dieléctrica de la compuerta es muy delgada (menos de 2 nm) o tiene voltajes altos, los electrones pasan a través de la capa dieléctrica a través del efecto de túnel, lo que resulta en una corriente de fuga entre la compuerta y el sustrato.

¿Problemas causados ​​por corrientes de fuga?

El consumo de energía del chip aumenta, la generación de calor aumenta y la velocidad de conmutación disminuye. Por ejemplo, en circuitos lógicos, las corrientes de fuga pueden provocar una deriva de nivel en circuitos lógicos de nivel de compuerta.

¿Por qué utilizar materiales de alta k?

Los materiales dieléctricos de alta k tienen una constante dieléctrica (valor k) más alta que el SiO₂ convencional. Los tipos de medios de alta k son:

Material de alta k	Constante dieléctrica
Óxido de hafnio (HfO2)	25
Óxido de titanio TiO2	30-80
Circonio ZrO2	25
Pentóxido de tantalio Ta2O5	25-50
Titanato de bario y estroncio (BST)	100-800
Titanato de estroncio STO	230+
Titanato de plomo PZT	400-1500

Fórmula de capacitancia: C=ϵ⋅A\d

ε\d es la constante dieléctrica, AA es el área del capacitor y dd es el espesor de la capa dieléctrica.

Como se muestra en la fórmula, cuanto mayor sea el valor de ε en un determinado valor C, menor será la relación A/d. Incluso con un dieléctrico de alta k, es posible aumentar el espesor de la capa dieléctrica manteniendo la capacitancia. El espesor físico de los materiales de alta k es más de 3~6 veces el del óxido de silicio, porque la corriente de tunelización electrónica está relacionada exponencialmente con el espesor de la capa de aislamiento, lo que reducirá significativamente el efecto de tunelización cuántica de la capa dieléctrica de la compuerta, mejorando así de manera efectiva la corriente de fuga de la compuerta.