Kõrge-k dielektrik

Allikas: Vikipeedia

Kõrge-k dielektrik( inglise keeles High-κ dielectric ) kirjeldab materjale, mille dielektriline konstant k/suhteline dielektriline läbitavus ε on suurem kui ränidioksiidil. Kõrge-k dielektrik materjale kasutatakse transistoride tootmises, kus nad enamasti asendavad ränidioksiidist paisu dielektriku. Kõrge-k materjalide kasutuselevõtt tootmises võimaldab veelgi vähendada transistoride ja teiste mikroelementide suurust. Mikroelektroonika elementide jätkuv vähenemine võimaldab Moore'i seaduse tõesuse jätkumist. Suurem üleminek kõrge-k materjalidele algas 2007 aastal, kui Intel teatas kõrge-k materjalide kasutuselevõttust.

Kõrge-k materjalide vajadus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ränidioksiidi on kasutatud transistoride paisu dielektrikuna juba üle poole sajandi. [1] Selle aja jooksul on transistoride suurus kahanenud ning sellega koos on ka vähenenud ränidioksiidi paksus. Mõõtmete vähenemine on omakorda kaasa toonud mikroelektroonikaseadmete jõudluse suure kasvu. Dielektrikute paksuse vähenemine alla 2 nm on kaasa toonud aga probleeme nagu lekkevoolu kasv, kuna ränidioksiidi kihi kahanemine mõne aatomkihi paksuseks võimaldab tunneleerumist. Tagajärjeks on voolukasutuse suurenemine ja elektroonikaseadme töökindluse vähenemine. Vahetades välja ränidioksiidi paisu dielektrikuna on võimalik mahtuvust suurendada ilma lekke vooludeta.[2]

Põhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Paisuoksiidist MOSFETi saab modelleerida kui kahe paralleelse plaadi ja dielektrikuga kondensaatorit. Mitte arvestades kvantmehaanikalisi efekte ja lävipinge kõikumist Si pooljuhtplaadi ja paisu vahel( inglise keeles polysilicon depletion effect ). Selle paralleelse plaatide mahtuvus tC kirjeldab järgnev funktsioon

C=\frac{\kappa\varepsilon_{0}A}{t}
Tavaline ränidioksiidil põhineva paisu dielektri struktuur vs. võimalik kõrge-k dielektriku struktuur
metall-oksiid-pooljuht väljatransistori läbilõige

Kus

Kuna lekkevoolud piiravad edasist kondensaatori oksiidist isolaatori paksuse vähenemist, siis alternatiivne viis paisu mahtuvust suurendada on vahetada ränidioksiid kõrge-k materjali vastu. Sellisel juhul võib paksemat paisuoksiidi kihti kasutada, mis vähendab dielektrikut läbivat lekkevoolu ja suurendab paisu dielektriku töökindlust.

Paisu mahutavuse mõju juhtimisvoolule[muuda | redigeeri lähteteksti]

Neelu vool ID metall-oksiid-pooljuht väljatransistoris saab lähendust kasutades kirjutada:

I_{D,Sat} = \frac{W}{L} \mu\, C_{inv}\frac{(V_{G}-V_{th})^2}{2}

Kus

  • W on transistori kanali laius
  • L on kanali pikkus
  • μ on kanali kandja liikuvus( konstantne selles valemis )
  • Cinv kirjeldab mahtuvuse tihedust, kui kanal on inverteeritud seisundis
  • VG pinge transistori paisul
  • VD pinge transistori neelul
  • Vth on lävipinge

Suurus VG - Vthon limiteeritud kindlasse piirkonda, et tõsta töökindlust ning tagada töötavus toatemperatuuril. Liiga suur VG tekitab soovimatult suure elektrivälja paisuoksiidile, mis tõstab oluliselt transistori jahutamis vajadust. Lisaks Vth ei ole lihtsate vahenditega võimalik langetada alla 200 mV[3], kuna voolulekked oksiidis ( eeldades, et ei kasutata kõrge-k dielektrike) ning neelu ja paisu vahel tõstaksid ooteseisundi voolutarbe vastuvõetamatule tasemele. Seega ID,sat tõstmiseks on vaja kas vähendada kanali pikkust või suurendada paisu dielektriku mahutavust.

Uued materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ränidioksiidist paisuoksiidi alternatiivsete materjalidega asendamine muudab transistori tootmis protsessi keerulisemaks. Praeguste meetoditega on lihtne teostada ränidioksiidi kihi oksüdeerumist ränist pooljuhtplaadile nii, et tulemus oleks homogeene. Kvaliteetsema ränidioksiidist kile transitori dielektrikuks saab tekitada keemiliste meetoditega näiteks kasutades vesinikperoksiidi H2O2. Asendades ränidioksiid võimalikult kõrge dielektrilise konstandiga materjaliga on oluline, et uut materjali oleks lihtne integreerida olemasolevasse tootmisprotsessi. Teised olulised omadused kasutatavale materjalile on temperatuuristabiilsus, kile morfoloogia, laengukandjate suur liikuvus kanalis, võimalikult vähe defekte kiles ja hea ühilduvus räniga. Võimalikud ränidioksiidi asendajad on hafniumdioksiid (HfO2.), tsirkooniumdioksiid (ZrO2) ja titaandioksiid (TiO2). [4]

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1990ndatel aastatel võeti kasutusele oksiidnitraat paisu dielektrikus, kus traditsiooniline ränidioksiidist dielektrikule on lisatud nitraati. Nitraat suurendab vähesel määral dielektrilist konstanti ja vähendab difusiooni läbi paisu dielektriku. 2007 aastal Intel teatas, et hafniumii põhised dielektrikud on võetud kasutusele 45 nm tehnoloogiaga protsessorites Penryn. [5][6] Samal ajal IBM teatas oma soovist üle minna hafniumii põhisele metall paisule, osadel 2008 aasta toodetel. Kuigi täpselt teadmata on spekuleeritud, et võimalikud ühendid on HfO2 ja HfSiOx. NEC elektroonika teatas HfSiON dielektriku kasutamise oma 55nm madala voolutarve tehnoloogias.

2009 aastal Intel avaldas, et oma 32 nm tehnoloogias on kasutusele võetud 2 generatsiooni kõrge-k dielektrikud. Võrreldes 45 mm tehnoloogiaga on 2 generatsiooni dielektrikud parandanud protsessori jõudlust 20% võrra. [7] 2011 aastal Intel avaldas, et oma 22 nm mikroprotsessorites koodnimega Ivy Bridge võetakse kasutusele 3 generatsiooni dielektrikud. Lisaks toimus üleminek ruumilisele kolme paisu transistoritele( Tri-Gate).[8]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-MOS.html
  2. http://www.stanford.edu/class/ee311/NOTES/Robertson%20JAP04.pdf
  3. "Process Integration, Devices, and Structures". International Technology Roadmap for Semiconductors: 2006 Update. 
  4. http://www.intel.com/pressroom/kits/advancedtech/doodle/ref_HiK-MG/high-k.htmhtml
  5. "Intel 45nm High-k Silicon Technology Page". Intel.com. Vaadatud 2011-11-08. 
  6. IEEE Spectrum: The High-k Solution
  7. http://www.intel.com/content/dam/doc/technology-brief/32nm-soc-platform-technology-presentation.pdf
  8. http://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-Details_Presentation.pdf