ЭБНЭ_full

Методы борьбы с утечками

Туннельный ток утечки через окисел очень сильно растет с уменьшением его толщины. В качестве допустимого уровня плотности туннельного тока через подзатворный изолятор часто считается довольно большая величина 1A/см2.

Если выбрать в качестве критерия допустимости (IG(off)/ID(off) < 0.1), то минимальной возможной физической толщиной подзатворного окисла оказывается величина ~ 1.1 нм.

Экспериментально установлено, что в n-МОПТ (LG = 45 нм) ток в открытом состоянии начинает деградировать при толщине окисла ~ 1.3 нм, в то время как в p-МОПТ подобный эффект наблюдается при dox ~ 1.2 нм. Уменьшение неоднородности по толщине подзатворного окисла и использование нитридированного окисла может уменьшить эту

его толщину еще на 0.1-0.2 нм.

Толщина окисла в 90 нм технологии Intel составляет 1.2 нм – это всего 4 атомных слоя решетки окисла кремния.

С другой стороны, быстродействие транзистора пропорционально максимальному рабочему току (drive current) и емкости подзатворного окисла.

Таким образом, увеличивая быстродействие за счет уменьшения толщины подзатворного изолятора, неминуемо увеличиваем туннельные токи утечки.

Методы борьбы с утечками

Туннельный ток утечки через окисел очень сильно растет с уменьшением его толщины. В качестве допустимого уровня плотности туннельного тока через подзатворный изолятор часто считается довольно большая величина 1A/см2.

Если выбрать в качестве критерия допустимости (IG(off)/ID(off) < 0.1), то минимальной возможной физической толщиной подзатворного окисла оказывается величина ~ 1.1 нм.

Экспериментально установлено, что в n-МОПТ (LG = 45 нм) ток в открытом состоянии начинает деградировать при толщине окисла ~ 1.3 нм, в то время как в p-МОПТ подобный эффект наблюдается при dox ~ 1.2 нм. Уменьшение неоднородности по толщине подзатворного окисла и использование нитридированного окисла может уменьшить эту

его толщину еще на 0.1-0.2 нм.

Толщина окисла в 90 нм технологии Intel составляет 1.2 нм – это всего 4 атомных слоя решетки окисла кремния.

Методы борьбы с утечками

ε i >ε i (SiO2) 4.

Класс диэлектриков с высоким значением диэлектрической проницаемости именуют международным термином «high-K диэлектрики».

Идея состоит в том, что при равной удельной емкости high-K диэлектрики гораздо толще и, соответственно, имеют существенно более низкие уровни туннельных токов утечки. Для характеризации диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью часто рассматривают “электрически эквивалентную толщину” в противоположность физической толщине изолятора dox.

Эквивалентная электрическая толщина диэлектрика

EOT SiO2 dox,high K ,

high K

толщина окисла

Электрически эквивалентную толщину high-K диэлектрика

невозможно для SiO2. Для технологической нормы 70 нм (2006) и напряжении питания VDD = 1,1В эквивалентная толщина EOT = 1,1 нм, и с учетом толщины области обеднения затвора и инверсионного слоя (~ 0,7 нм), получаем электрическую эквивалентную толщину окисла EOT ~1,8 нм

Vg=0В, Vd=0,5В

Проникновение продольного поля от стока через high-k диэлектрик вызывает значительные короткоканальные эффекты

Для уменьшения электрической эквивалентной толщины диэлектрика необходимы high-k

диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью. Однако high-k диэлектрики со слишком большой диэлектрической проницаемостью (>100) нежелательны, поскольку приводят к проникновению продольного электрического поля от стока через high-k диэлектрик в канал, что вызывает значительные короткоканальные эффекты и увеличивает подпороговый размах S.

Поэтому необходимо сочетание оптимальной величины диэлектрической проницаемости, равной 10-30, с достаточной величиной разрыва зон проводимости кремния и диэлектрика. Подходящие кандидаты HfO2, ZrO2, La2O3, Gd2O3, Lu2O3.

1)возможность продолжения масштабирования к меньшим ЕОТ

2)падение подвижности носителей в канале (подвижность приблизительно в 2 раза меньше, чем при обычном термическом SiO2)

3)сдвиг порогового напряжения

4)нестабильность, вызываемая высокой концентрацией электронных дефектов в диэлектрике.

Низкая подвижность связана, во-первых, с сильной дефектностью и высокой плотностью поверхностных состояний на границе high-K диэлектрика с кремнием. Для решения этой проблемы используется очень тонкий (1-2 атомных монослоев) разделительный буферный слой SiO2.

Дефектная граница раздела с поли-Si затвором приводит к накоплению в этой области заряда и нежелательному увеличению порогового напряжения. Для того чтобы избавиться от этой проблемы, нужно использовать металлические затворы.

Переход на high-K изоляторы связанный с переходом на металлические затворы, порождает другие проблемы.

Емкость затвора определяется последовательным соединением трех емкостей: емкости окисла, емкости обеднения поликремниевого затвора и емкости инверсного слоя (канала).

Величина обеднения поликремния определяется степенью его легирования и может быть устранена заменой поликремниевого затвора на металлический, в котором толщина слоя обеднения ничтожно мала (~0,5Å). Это позволяет существенно уменьшить электрическую эквивалентную толщину окисла при использовании комбинации high-k диэлектрика и металлического затвора.