High-k

Conventional silicon dioxide gate dielectric structure compared to a potential high-k dielectric structure

Cross-section of an N channel MOSFET transistor showing the gate oxide dielectric

2DEG formation in FET sketch (ru)

Используемый в МОП транзисторах, в качестве материала подзатворного диэлектрика, диоксид кремния обладает рядом достоинств:

• выращивается на поверхности кристалла путём высокотемпературного окисления, что позволяет точно контролировать его толщину и однородность;
• имеет хорошую адгезию с кремнёвой подложкой;
• имеет низкую концентрацию дефектов.
• обладает хорошими изолирующими свойствами;
• имеет высокую химическую и термическую стабильность.

Однако, при его использовании, уменьшение размеров транзисторов наталкивается на принципиальные трудности.

Ток насыщения транзистора равен:

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

где

• I_D — ток канала;
• W — ширина канала;
• L — длина канала;
• μ — подвижность носителей;
• C_inv — ёмкость затвора при нахождении канала в инвертированном состоянии;
• V_G — напряжение на затворе транзистора;
• V_T — напряжение формирования инверсионного слоя (напряжение открытия транзистора).

Ёмкость затвора транзистора, имеющего идеализированную плоско-параллельную форму равна:

${\displaystyle C={\frac {\kappa \varepsilon _{0}S}{d}}}$,

где

• κ — диэлектрическая константа материала (иногда обозначают как ε);
• ε₀ — электрическая постоянная;
• S — площадь затвора;
• d — толщина диэлектрика.

При уменьшении площади транзистора ёмкость затвора падает, что ограничивает протекающий через него ток. Одним из способов увеличения ёмкости затвора является уменьшение толщины подзатворного диэлектрика. Но при достижении толщины менее 3 нм возникает ток утечки, обусловленный туннелированием зарядов через диэлектрик. При дальнейшем уменьшении толщины диэлектрика, ток утечки возрастает экспоненциально.

Другой проблемой, возникающей при уменьшении толщины подзатворного диэлектрика, является уменьшение надёжности прибора. Движение носителей заряда в транзисторе приводит к возникновению дефектов в диэлектрике и в его сопряжении с подложкой. Уменьшение толщины диэлектрика уменьшает критический уровень количества дефектов, при достижении которого происходит отказ прибора.

Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния, обеспечивающим равную ёмкость затвора.

• Low-k
• Кремний на изоляторе
• Двумерный электронный газ

• High-k Gate Dielectrics / Michel Houssa. — CRC Press, 2004. — 601 p. — (Series in Material Science and Engineering). — ISBN 0750309067.
• Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials / Safa Kasap, Peter Capper, Cyril Koughia. — Springer, 2007. — 1406 p. — (Springer handbooks). — ISBN 0387291857.

• High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations: Journal of Applied Physics: Vol 89, No 10 Journal of Applied Physics (англ.)