Kõrge-k-dielektrik

Kõrge-k-dielektrik (ingl high-κ dielectric) kirjeldab materjale, mille suhteline dielektriline läbitavus ${\varepsilon }_{\mathrm {r} }$ on suurem kui ränidioksiidil (ε_r = 3,9). (Terminiosa ’kõrge-k’ on ingliskeelse high-κ ebatäpne tõlge; suhtelist dielektrilist läbitavust tähistatakse siin kreeka tähega $\kappa$ (kapa), mis aga on asendatud ladina tähega k.)

Kõrge-k-dielektrikuid kasutatakse väljatransistoride paisuelektroodi materjalina ränidioksiidi asemel, et veelgi vähendada transistoride ja teiste mikroelementide mõõtmeid. Suurem üleminek kõrge-k-materjalidele algas 2007. aastal, kui Intel teatas nende materjalide kasutuselevõtust.

Kõrge-k-materjalide vajadus

Ränidioksiidi on kasutatud transistoride paisu dielektrikuna juba üle poole sajandi. 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 aga kaasa toonud probleeme seoses lekkevoolu kasvuga, sest ränidioksiidi kihi kahanemine mõne aatomkihi paksuseks võimaldab tunneleerumist. Tagajärjeks on voolutarbe suurenemine ja elektroonikaseadme töökindluse vähenemine. Kõrge-k-dielektriku kasutamisel on võimalik suurendada transistori lätte ja paisu vahelist mahtuvust ilma lekkevooludeta. Suurema mahtuvuse korral paraneb transistori oleku salvestusvõime värskendusstüklites.

Tavaline, ränidioksiidil põhineva paisuga struktuur vs. kõrge-k-dielektrikuga struktuur

Põhimõte

MOSFETi saab modelleerida kui kahe paralleelse plaadi ja dielektrikuga kondensaatorit. Kui mitte arvestada kvantmehaanikalisi efekte ja lävipinge kõikumist Si-pooljuhtplaadi ja paisu vahel, kirjeldab plaatidevahelist mahtuvust C valem

$C={\frac {\varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }A}{d}}.$

kus

• ${\varepsilon }_{0}$ on elektriline konstant vaakumi dielektriline läbitavus
• ${\varepsilon }_{\mathrm {r} }$ on materjali suhteline dielektriline läbitavus;
• $A$ on kondensaatori pindala;
• $d$ on dielektrikukihi paksus (plaatide vahekaugus).

MOSFET-transistori läbilõige

Järelikult saab suurema ${\varepsilon }_{\mathrm {r} }$ väärtusega materjali ehk kõrge-k-dielektriku kasutamise korral teha dielektrikukiht paksem, et vähendada paisu dielektrikut läbivat lekkevoolu ja suurendada tema töökindlust.

Paisu mahutavuse mõju juhtimisvoolule

MOSFET-transistori neelu vool I_D saab teatud lähenduses väljendada valemiga

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

kus

• W on transistori kanali laius;
• L on kanali pikkus;
• μ on kanali kandja liikuvus( konstantne selles valemis);
• C_inv kirjeldab emahtuvust, kui kanal on inverteeritud seisundis;
• V_G on pinge transistori paisul;
• V_D on pinge transistori neelul;
• V_th on lävipinge.

Suurus V_G – V_th on limiteeritud kindlasse piirkonda, et tõsta töökindlust ning tagada töötavus toatemperatuuril. Liiga suur V_G tekitab soovimatult suure elektrivälja paisuoksiidil, mis tõstab oluliselt transistori jahutamise vajadust. Lisaks pole võimalik lihtsate vahenditega langetada V_th väärtust alla 200 mV. Seega I_D,sat tõstmiseks on vaja kas vähendada kanali pikkust või suurendada paisu dielektriku paksust.

Uued materjalid

Ränidioksiidist paisuoksiidi alternatiivsete materjalidega asendamine muudab transistori tootmisprotsessi keerulisemaks. Praeguste meetoditega on lihtne teostada ränidioksiidi kihi oksüdeerumist ränist pooljuhtplaadile nii, et tulemus oleks homogeene. Ränidioksiidi asendamisel võimalikult suurt dielektrilist läbitavust omava materjaliga on oluline, et uut materjali oleks lihtne integreerida olemasolevasse tootmisprotsessi. Samuti on olulised omadused 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).

Kõrge-k-dielektrikute kasutuselevõtu etapid

1990ndatel võeti paisu dielektrikuna kasutusele ränioksünitriid SiOxNy, mis asendas traditsioonilist ränidioksiidi. Amorfne SiOxNy võimaldab suurendada määral dielektrilist läbitavust ja vähendab difusiooni läbi paisu dielektriku.

2007. aastal teatas Intel, et hafniumil põhinevad dielektrikud on võetud kasutusele 45 nm tehnoloogiaga protsessorites Penryn. Samal ajal IBM teatas oma soovist üle minna hafniumipõhisele metallpaisule osadel 2008. aasta toodetel.

2009. aastal avaldas Intel, et on oma 32 nm tehnoloogias kasutusele võtnud 2. generatsiooni kõrge-k-dielektrikud. Võrreldes 45 mm tehnoloogiaga on 2. generatsiooni dielektrikute kasutuselevõtt parandanud protsessori jõudlust 20% võrra.

2011. aastal Intel avaldas, et oma 22 nm mikroprotsessorites koodinimega Ivy Bridge võetakse kasutusele 3. generatsiooni dielektrikud. Lisaks toimus üleminek ruumilisele kolme paisuga transistoridele.