High-k діелектрик

При масштабуванні транзисторів у бік зменшення накопичуються певні принципові труднощі. Товщина діелектрика затвора постійно зменшується, щоб збільшити ємність затвора і тим самим ефективніше контролювати струм у каналі, підвищуючи продуктивність пристрою. За товщини меншої, ніж 2 нм, струм витоку завдяки ефекту тунелювання різко зростає, що, в свою чергу, призводить до високого енергоспоживання та зниження надійності пристрою. Заміна діелектрика затвора з діоксиду кремнію на High-k діелектрик дозволяє збільшити ємність затвора без супутніх ефектів витоку.

Ємність затвора транзистора, що має ідеальну плоску паралельну форму:

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

${\displaystyle \kappa }$ — діелектрична константа матеріалу (іноді означають як ε);

${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — електрична стала;

${\displaystyle S}$ — площа затвора;

${\displaystyle d}$ — товщина діелектрика.

Оскільки зростання струму витоку обмежує подальше зменшення ${\displaystyle d}$, альтернативним методом підвищення ємності затвора є заміна діоксиду кремнію на матеріал з високою ${\displaystyle \kappa }$. Тоді можна використовуватися більш товстий шар оксиду, який зменшить струм витоку, що протікає через конструкцію, а також підвищить діелектричну надійність затвора.

Другою проблемою, яка виникає при зменшенні товщини підзатворного діелектрика, є зменшення надійності приладу. Рух носіїв заряду в транзисторі призводить до виникнення дефектів у діелектрику. Зменшення товщини діелектрика зменшує критичний рівень кількості дефектів, при досягненні якого відбувається відмова приладу. Виготовлення підзатворного діелектрика з High-k матеріалу дозволяє збільшити його товщину, одночасно збільшуючи ємність затвора, що забезпечує зниження струму витоку на декількох порядків порівняно з діоксидом кремнію.

Струм насичення транзистора дорівнює:

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

${\displaystyle I_{D}}$ — струм у каналі;

${\displaystyle W}$ — ширина каналу;

${\displaystyle L}$ — довжина каналу;

${\displaystyle \mu }$ — рухливість носіїв;

${\displaystyle C_{inv}}$ — ємність затвора коли канал у інверсійному стані;

${\displaystyle {\ce {V_{G}}}}$ — напруга на затворі транзистора;

${\displaystyle V_{\mbox{пор}}}$ — напруга формування інверсійного шару (порогова напруга).

Значення виразу ${\displaystyle V_{G}-V}$ обмежене в діапазоні, оскільки надто велика напруга ${\displaystyle {\ce {V_{G}}}}$ створила б небажано сильне електричне поле у оксиді, а ${\displaystyle V_{\mbox{пор}}}$ [1] у свою чергу не може бути меншим за 200 мВ [2]через неприйнятне посилення струму витоку (втрат) та небажане підвищення споживання у режимі очікування. Таким чином, згідно з цим спрощеним переліком факторів, збільшення ${\displaystyle I_{D}}$ вимагає зменшення довжини каналу або збільшення діелектричної ємності затвора.