27

Лекция 7 Токи утечки в наноэлектронных структурах

План лекции

7.1. Токи утечки как ограничитель развития технологии

7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока I₃)

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I₃)

7.4. Ток утечки через pn-переход стока I₁

7.5 Подпороговый ток I₂

7.6. Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL) (компонент тока I₅)

7.7. Использование high-K диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью

7.8. Проблемы использования high-K диэлектриков

Литература

7.1. Токи утечки как ограничитель развития технологии

Как указывалось на 1 лекции, фундаментальной проблемой при увеличении степени интеграции является проблема тепловыделения, обусловленная динамическим (активное) и статическим (пассивное) энергопотреблением. Если раньше основной вклад давала динамическая мощность, то с ростом степени интеграции статическая мощность начинает преобладать (рис. 7.1).

К статическому энергопотреблению относятся: подпороговые токи утечки из истока в сток за счет надбарьерного активационного переноса носителей между стоком и истоком; туннельные токи утечки через ультратонкий (~ 1нм) подзатворный окисел; межзонные туннельные токи утечки через рn-переход стока в подложку.

Рис.7.2. Механизмы токов утечки в современных МОПТ объемной технологии

Наиболее важные механизмы токов утечек в современных транзисторах

представлены схематично на рис. 7.2. Таковыми являются:

1. ток обратносмещенного pn-перехода стока I₁;

2. Подпороговый ток i2;

3. туннельный ток из затвора I₃;

4. ток затвора из-за инжекции горячих носителей I₄;

5. индуцируемый затвором ток утечки (GIDL - Gate Induced Leakage Current) I₅;

6. прокол или смыкание ОПЗ истоков и стоков I₆.

Токи I₂, I₅, I₆ − утечки, существенные только в закрытом состоянии (off), I₁, I₃ − играют важную роль и в закрытом, и в открытом состоянии (on/off). Ток I₄ может присутствовать в закрытом состоянии, но наиболее характерен для открытого состояния.

Роль различных механизмов утечки менялась по мере развития технологии. В старых длинноканальных технологиях c длиной канала ~ 1 мкм доминировали токи обратносмещенного pn-перехода, для длин канала ~ 0,5мкм доминируют подпороговые токи между стоком и истоком. Для технологий с технологической нормой менее 100 нм начинает доминировать туннельный ток через тонкий подзатворный окисел (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Тенденции в изменении туннельных токов затвора (♦) и подпороговых токов утечки (▲)

В наноразмерных транзисторах с длиной канала менее 50нм важнейшую роль приобретают туннельные токи в обратносмещенных сильнолегированных pn-переходах. Наконец, квантовомеханическое туннелирование исток-сток устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала L_eff МОПТ. Этот ток туннелирования значителен при L_eff < 15нм и является доминирующей утечкой при L_eff <~8нм.

7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока i3)

Имеется три главных механизма прямого туннелирования в МОПТ, а именно, туннелирование электронов из зоны проводимости (ECB), туннелирование электронов из валентной зоны (ЕVB) и туннелирование дырок из валентной зоны (HVB) (рис.7.4).

Рис. 7.4 Механизмы прямого туннелирования

В п-МОПТ ECB определяет ток туннелирования затвор-канал в режиме инверсии, тогда как EVB − ток туннелирования затвор-подложка в режиме инверсия-обеднение и HVB − в режиме обогащения. Так как высота барьера для HVB (4,5эВ) значительно больше, чем для ECB (3,1эВ), туннельный ток дырок значительно меньше тока электронов. Поэтому предельно допустимая толщина SiO₂ для n–канальных МОП–транзисторов достигается раньше, чем для p–канальных. Критерием обычно является условие, чтобы ток туннельной утечки через окисел был не больше тока I_off между истоком и стоком в запертом транзисторе (порядка 1 нА/мкм в расчете на единицу ширины канала).

Ток затвора прямого туннелирования состоит из 5 компонентов (рис. 7.5): паразитный ток утечки между затвором и истоком/стоком в области их перекрытия , ток затвор-инвертированный канал , часть которого идет к истоку, а остальная часть − к стоку, и ток утечки затвор-подложка .

Рис.7.5 Компоненты тока прямого туннелирования

Прямое туннелирование через подзатворный окисел n-МОПТ соответствует переходу электронов из зоны проводимости (или из валентной зоны) кремния непосредственно в затвор. Ток прямого туннелирования из затвора в кремний существенен только для малых толщин подзатворных окислов (< 3…4 нм), типичных для современных приборов. При такой толщине барьера туннельный ток заметен даже при малых электрических полях в окисле и малых смещениях на затворе.

Рис. 7.6. Прямое туннелирование электронов из зоны проводимости Si

Строго говоря, ток прямого туннелирования пропорционален вероятности туннелирования через трапециевидный барьер (рис. 7.6) и равен

, (7.2.1)

где

. (7.2.2)

Экспериментально затруднительно непосредственно соотнести формулу (7.2.1) с экспериментом, и поэтому на практике часто пользуются упрощенным эмпирическим выражением для зависимости плотности прямого туннельного тока через подзатворный изолятор от его толщины в виде

, (7.2.3)

где J_G0= 3,7 10^-10 пА/мкм²; В₀ =9,2 нм^-1 для п-МОПТ и J_G0 =3 10^-9 пА/мкм²; В₀ =9,9 нм^-1 для р-МОПТ.

Эта эмпирическая формула соответствует приближению туннелирования через прямоугольный барьер, вероятность которого равна

, (7.2.4)

где ~ 3,1 эВ – эффективная высота потенциального барьера, разделяющего кремниевую подложку и затвор, – эффективная длина, характеризующая вероятность туннелирования; 0,1нм для электронов и приблизительно на 10% меньше для дырок из-за бòльшего разрыва краев валентных зон кремния и SiО₂. Туннельный механизм, который слабо зависит от температуры, особенно важен при относительно низкой температуре, когда остальные механизмы утечек подавлены. Вероятность туннелирования многократно увеличивается, если в окисле есть разрешенное состояние любой природы (атом примеси, дефект любой природы, нарушение структуры решетки с болтающимися связями).

Считается, что допустим такой уровень туннельных токов утечки, при которых они существенно меньше рабочих токов стока, что соответствует плотности туннельных токов 1-10А/см² или даже 100А/см², хотя при этом туннельные токи будут составлять заметную долю от общего энергопотребления.