Hög k
High-k är en teknologi för produktion av MOS -halvledarenheter med en grinddielektrikum gjord av ett material med en statisk permittivitet som är större än den för kiseldioxid (3.9). Material med hög permeabilitet som faktiskt används inom elektronik kallas "alternativa dielektrika", bland dem zirkoniumdioxid och hafniumdioxid (för båda är permeabiliteten cirka 25). Namnet "hög-k" kommer från den inte helt standardbeteckningen av dielektricitetskonstanten med bokstaven (kappa), som, på grund av den icke-universala förekomsten av grekiska teckensnitt, ersattes med latin . Det korrekta uttalet är "hi-kay", men det är inte ovanligt att säga "hi-ka". Traditionellt används symbolen (epsilon) för permeabilitet , men termen "hög " har inte slagit fast.
Skäl för användning
Används i MOS- transistorer som ett gate dielektriskt material, kiseldioxid har flera fördelar:
- odlas på ytan av kristallen genom högtemperaturoxidation, vilket gör att du kan kontrollera dess tjocklek och enhetlighet exakt;
- har god vidhäftning med silikonsubstrat ;
- har en låg koncentration av defekter.
- har goda isoleringsegenskaper;
- har hög kemisk och termisk stabilitet.
Men när du använder det stöter det på grundläggande svårigheter att minska storleken på transistorer.
Transistorns mättnadsström är:
,
var
- I D är kanalströmmen;
- W är kanalbredden;
- L är kanallängden;
- μ är bärarens rörlighet;
- Cinv är gate -kapacitansen när kanalen är i det inverterade tillståndet;
- V G - spänning vid transistorns grind;
- VT är inversionsskiktets bildande spänning (transistoröppningsspänning).
Grindkapacitansen för en transistor med en idealiserad planparallell form är:
,
var
- K är materialets dielektriska konstant (ibland kallad e);
- ε 0 - elektrisk konstant ;
- S är portområdet;
- d är tjockleken på dielektrikumet.
När arean på transistorn minskar, minskar gate-kapacitansen, vilket begränsar strömmen som flyter genom den. Ett sätt att öka gate-kapacitansen är att minska tjockleken på gate-dielektriken. Men när tjockleken är mindre än 3 nm uppstår en läckström på grund av tunnling av laddningar genom dielektrikumet. Med en ytterligare minskning av tjockleken på dielektrikumet ökar läckströmmen exponentiellt.
Ett annat problem som uppstår med en minskning av tjockleken på grinddielektriken är en minskning av enhetens tillförlitlighet. Rörelsen av laddningsbärare i transistorn leder till uppkomsten av defekter i dielektrikumet och i dess gränssnitt med substratet. Att minska tjockleken på dielektrikumet minskar den kritiska nivån av antalet defekter, när enheten misslyckas .
Att tillverka det dielektriska materialet i grinden med ett material med hög permittivitet gör det möjligt att öka dess tjocklek och samtidigt öka gate-kapacitansen, vilket ger en minskning av läckströmmen med flera storleksordningar jämfört med ett tunnare kiseldioxiddielektrikum som ger lika grindkapacitans.
Se även
Anteckningar
Litteratur
- High-k Gate Dielectrics / Michel Houssa. - CRC Press, 2004. - 601 sid. - (Serie i materialvetenskap och teknik). — ISBN 0750309067 .
- Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials / Safa Kasap, Peter Capper, Cyril Koughia. - Springer, 2007. - 1406 sid. - (Springers handböcker). — ISBN 0387291857 .