Neden Kapı Dielektrik Katman Malzemeleri Olarak Yüksek-k Malzemeleri Kullanılmalıdır?

Neden Kapı Dielektrik Katman Malzemeleri Olarak Yüksek-k Malzemeleri Kullanılmalıdır?

Kapı dielektrik tabakası nasıl gelişti? İleri süreç neden kapı dielektrik tabakası olarak yüksek-k malzemeleri kullanıyor?

Gelişmiş düğümlerin kapı dielektrik tabakasında ne kullanılır?

Teknoloji Düğümü	Yapısal Özellikler	Yüksek-k Orta
		nMOS (İngilizce)	pMOS (Manyetik Rezonans)
45 mil	Düzlemsel	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32 mil	Düzlemsel	HfO₂	HfO₂
22 mil	FinFET/Üçlü Kapı	HfO₂	HfO₂
14 mil	FinFET/Üçlü Kapı	HfO₂	HfO₂

Yukarıdaki tabloda görüldüğü gibi, 45 nm ve altındaki düğümlerde HKMG (High-k Metal Gate) işlemi kullanılmış olup, yüksek-k malzemesi kapı dielektrik tabakası olarak kullanılmıştır; 45 nm'nin üzerindeki düğümlerde ise kapı dielektrik tabakası olarak çoğunlukla silikon oksit kullanılmıştır.

Kapı dielektrik tabakası nedir?

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, diyagramın üst kısmındaki gri alan kapıyı temsil eder ve kaynak ile drenaj arasında bir akım kanalının oluşumunu kontrol etmek için kapıya bir voltaj uygulanır. Kapının altındaki açık sarı katman, kapıyı ve tek kristal alt tabakayı doğru akım iletiminden izole eden kapı dielektrik katmanını temsil eder.

Kapı Kaçak Akımı Nedir?

İşlem düğümü küçüldükçe, çip boyutu azalır ve kapı oksit tabakası incelmeye devam eder ve kapı dielektrik tabakası çok ince olduğunda (2 nm'den az) veya yüksek voltajlarda, elektronlar tünelleme etkisi yoluyla dielektrik tabakadan geçer ve bunun sonucunda kapı ile alt tabaka arasında bir sızıntı akımı oluşur.

Kaçak akımların neden olduğu sorunlar nelerdir?

Çipin güç tüketimi artar, ısı üretimi artar ve anahtarlama hızı azalır. Örneğin, mantık devrelerinde, kaçak akımlar kapı seviyesi mantık devrelerinde seviye kaymasına neden olabilir.

Neden yüksek-k malzemeler kullanmalıyız?

Yüksek-k dielektrik malzemeler, geleneksel SiO₂'den daha yüksek bir dielektrik sabitine (k-değeri) sahiptir. Yüksek-k ortam türleri şunlardır:

Yüksek-k materyali	Dielektrik sabiti
Hafniyum HfO2 oksit	25
Titanyum oksit TiO2	30-80
Zirkonyum ZrO2	25
Tantal pentoksit Ta2O5	25-50
Baryum stronsiyum titanat BST	100-800
Stronsiyum titanat STO	230+
Kurşun titanat PZT	400-1500

Kapasitans Formülü: C=ϵ⋅A\d

ε\d dielektrik sabiti, AA kapasitörün alanı ve dd dielektrik tabakanın kalınlığıdır.

Formülde gösterildiği gibi, belirli bir C'de ε ne kadar büyükse, A/d oranı o kadar küçük olur. Yüksek-k dielektrikle bile, kapasitansı korurken dielektrik tabakanın kalınlığını artırmak mümkündür. Yüksek-k malzemelerin fiziksel kalınlığı, silisyum oksitinkinden 3~6 kat daha fazladır, çünkü elektronik tünelleme akımı yalıtım tabakasının kalınlığıyla üssel olarak ilişkilidir, bu da kapı dielektrik tabakasının kuantum tünelleme etkisini önemli ölçüde azaltacak ve böylece kapı sızıntı akımını etkili bir şekilde iyileştirecektir.