
- •План лекции
- •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)
- •7.7. Использование high-k диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью
- •7.8. Проблемы использования high-k диэлектриков
- •Литература:
- •Задание для срс
- •Вопросы для самопроверки
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)
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 (GIDL).
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:
ток обратносмещенного pn-перехода стока I1;
подпороговый ток I2;
туннельный ток из затвора I3;
ток затвора из-за инжекции горячих носителей I4;
GIDL I5;
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 50 нм важнейшую роль приобретают туннельные токи в обратносмещенных сильнолегированных pn-переходах. Наконец, квантовомеханическое туннелирование исток-сток устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала Leff МОПТ. Этот ток туннелирования значителен при Leff < 15нм и является доминирующей утечкой при Leff <~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.
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
JG0=
3,7
10-10
пА/мкм2;
В0
=9,2
нм-1
для п-МОПТ
и JG0
=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 приблизительнона
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.