Токи утечки как ограничитель развития технологии

Лекция 7 Токи утечки в наноэлектронных структурах

План лекции

Токи утечки как ограничитель развития технологии

7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока I ₃)

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I ₃)

7.4. Ток утечки через pn -переход стока I ₁

7.5 Подпороговый ток I ₂

Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL)

Использование high-K диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью

Проблемы использования high-K диэлектриков

Литература

Задание для СРС

1.Изучить материал лекции №7 по конспекту и по литературным источникам.

2. Для подготовки к следующей лекции ознакомиться с её материалом по конспекту лекции №8.

 

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите механизмы токов утечки в современных МОПТ объемной технологии.

2. Что устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала МОПТ? Чему равна минимальная величина Leff?

3. Опишите механизм прямого туннелирования через подзатворный окисел.

4. Опишите механизм туннелирования Фаулера-Нордгейма.

5. От каких факторов зависит подпороговый ток утечки?

6. Опишите механизм GIDL – эффекта.

7. Какая структура МОПТ обеспечивает минимальный GIDL – ток?

8. Какова цель использования high-K диэлектриков?

9. Почему нежелательна слишком большая диэлектрическая проницаемость high-K диэлектрика?

10. В чем состоят проблемы использования high-K диэлектриков?

11. Чем определяется выбор металла для затвора?

12. В чем преимущества и проблемы металлических затворов?

 

Лекция 7 Токи утечки в наноэлектронных структурах

План лекции

Токи утечки как ограничитель развития технологии

7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока I ₃)

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I ₃)

7.4. Ток утечки через pn -переход стока I ₁

7.5 Подпороговый ток I ₂

Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL)

Использование high-K диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью

Проблемы использования high-K диэлектриков

Литература

Токи утечки как ограничитель развития технологии

Как указывалось на 1 лекции, фундаментальной проблемой при увеличении степени интеграции является проблема тепловыделения, обусловленная динамическим (активное) и статическим (пассивное) энергопотреблением. Если раньше основной вклад давала динамическая мощность, то с ростом степени интеграции статическая мощность начинает преобладать (рис. 7.1).

 

К статическому энергопотреблению относятся: подпороговые токи утечки из истока в сток за счет надбарьерного активационного переноса носителей между стоком и истоком; туннельные токи утечки через ультратонкий (~ 1нм) подзатворный окисел; межзонные туннельные токи утечки через рn -переход стока в подложку (GIDL).

Рис.7.2. Механизмы токов утечки в современных МОПТ объемной технологии

Наиболее важные механизмы токов утечек в современных транзисторах

представлены схематично на рис. 7.2. Таковыми являются:

1) ток обратносмещенного pn -перехода стока I ₁;

2) подпороговый ток I ₂;

3) туннельный ток из затвора I ₃;

4) ток затвора из-за инжекции горячих носителей I ₄;

5) GIDL (Gate Induced Leakage Current) I ₅;

6) прокол или смыкание ОПЗ истоков и стоков I ₆.

Токи I ₂, I ₅, I ₆ − утечки, существенные только в закрытом состоянии (off), I ₁, I ₃ − играют важную роль и в закрытом, и в открытом состоянии (on/off). Ток I ₄ может присутствовать в закрытом состоянии, но наиболее характерен для открытого состояния.

Роль различных механизмов утечки менялась по мере развития технологии. В старых длинноканальных технологиях c длиной канала ~ 1 мкм доминировали токи обратносмещенного pn -перехода, для длин канала
~ 0,5мкм доминируют подпороговые токи между стоком и истоком. Для технологий с технологической нормой менее 100 нм начинает доминировать туннельный ток через тонкий подзатворный окисел (рис. 7.3).

 

Рис. 7.3. Тенденции в изменении туннельных токов затвора (♦) и подпороговых токов утечки (▲)

В наноразмерных транзисторах с длиной канала менее 50нм важнейшую роль приобретают туннельные токи в обратносмещенных сильнолегированных pn -переходах. Наконец, квантовомеханическое туннелирование исток-сток устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала L_eff МОПТ. Этот ток туннелирования значителен при L_eff < 15нм и является доминирующей утечкой при L_eff <~8нм.

7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока I ₃)

Имеется три главных механизма прямого туннелирования в МОПТ, а именно, туннелирование электронов из зоны проводимости (ECB), туннелирование электронов из валентной зоны (ЕVB) и туннелирование дырок из валентной зоны (HVB) (рис.7.4).

Рис. 7.4 Механизмы прямого туннелирования

В п -МОПТ ECB определяет ток туннелирования затвор-канал в режиме инверсии, тогда как EVB − ток туннелирования затвор-подложка в режиме инверсия-обеднение и HVB − в режиме обогащения. Так как высота барьера для HVB (4,5эВ) значительно больше, чем для ECB (3,1эВ), туннельный ток дырок значительно меньше тока электронов.

Ток затвора прямого туннелирования состоит из 5 компонентов (рис. 7.5): паразитный ток утечки между затвором и истоком/стоком в области их перекрытия , ток затвор-инвертированный канал , часть которого идет к истоку, а остальная часть − к стоку, и ток утечки затвор-подложка .

Рис.7.5 Компоненты тока прямого туннелирования

Прямое туннелирование через подзатворный окисел n -МОПТ соответствует переходу электронов из зоны проводимости (или из валентной зоны) кремния непосредственно в затвор. Ток прямого туннелирования из затвора в кремний существенен только для малых толщин подзатворных окислов (< 3…4 нм), типичных для современных приборов. При такой толщине барьера туннельный ток заметен даже при малых электрических полях в окисле и малых смещениях на затворе.

Рис. 7.6. Прямое туннелирование электронов из зоны проводимости Si

Строго говоря, ток прямого туннелирования пропорционален вероятности туннелирования через трапециевидный барьер (рис. 7.6) и равен

, (7.2.1)

где

. (7.2.2)

Экспериментально затруднительно непосредственно соотнести формулу (7.2.1) с экспериментом, и поэтому на практике часто пользуются упрощенным эмпирическим выражением для зависимости плотности прямого туннельного тока через подзатворный изолятор от его толщины в виде

,(7.2.3)

где J _G0 = 3,7 10^-10 пА/мкм²; В ₀=9,2 нм^-1 для п -МОПТ и J _G0 = 3 10^-9 пА/мкм²; В ₀=9,9 нм^-1 для р -МОПТ.

Эта эмпирическая формула соответствует приближению туннелирования через прямоугольный барьер, вероятность которого равна

, (7.2.4)

где ~ 3,1 эВ – эффективная высота потенциального барьера, разделяющего кремниевую подложку и затвор, –эффективная длина, характеризующая вероятность туннелирования; 0,1нм для электронов и приблизительно на 10% меньше для дырок из-за бòльшего разрыва краев валентных зон кремния и SiО₂. Туннельный механизм, который слабо зависит от температуры, особенно важен при относительно низкой температуре, когда остальные механизмы утечек подавлены. Вероятность туннелирования многократно увеличивается, если в окисле есть разрешенное состояние любой природы (атом примеси, дефект любой природы, нарушение структуры решетки с болтающимися связями).

Считается, что допустим такой уровень туннельных токов утечки, при которых они существенно меньше рабочих токов стока, что соответствует плотности туннельных токов 1-10А/см² или даже 100А/см², хотя при этом туннельные токи будут составлять заметную долю от общего энергопотребления.

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I ₃)

При сильных электрических полях в окисле трапециевидный потенциальный барьер вырождается в треугольный (рис.7.7), что приводит к увеличению вероятности туннелирования из зоны проводимости кремния непосредственно в зону проводимости SiO₂.

Такое происходит при электрических полях, бòльших некоторого критического поля при которых падение потенциала в окисле превосходит высоту барьера между зоной проводимости Si и SiО₂:

. (7.3.1)

Рис. 7.7. Туннелирование через треугольный потенциальный барьер при механизме Фаулера-Нордгейма

Для треугольного потенциального барьера формула для плотности тока по механизму Фаулера-Нордгейма имеет вид:

, (7.3.2)

где

. (7.3.3)

Для окисла кремния SiО₂ параметр ~ 270 МВ/см и зависит только от поля в окисле и высоты потенциального барьера = 3,1 эВ (Si-SiО₂).

Измеряемый ток Фаулера-Нордгейма невелик даже при очень больших полях (~ 5 10^-7А/см² при поле 8МВ/см). Поэтому в нормальном режиме работы транзисторов им можно всегда пренебрегать.

 

7.4. Ток утечки через pn -переход стока I ₁

Если обе стороны pn -перехода сток-подложка становятся сильнолегированными, при обратном смещении перехода создаются условия для прямого туннелирования между валентной зоной стока и зоной проводимости p -подложки. Выражение для плотности туннельного тока зона-зона имеет тот же вид, что и для тока туннельного пробоя pn -перехода. Туннельный ток утечки через обратносмещенный pn -переход стока ставит верхний предел легирования подложки ~ 10¹⁸ см^-3.

7.5 Подпороговый ток I ₂

Подпороговые токи утечки обусловлены термоактивационным перебросом носителей из истока в сток. Иными словами, их причина состоит в том, что плотность носителей в канале даже в глубоком обеднении отлична от нуля. Зависимость подпорогового тока от затворного напряжения имеет вид

(7.5.1)

На величину подпорогового тока оказывают влияние следующие факторы:

1) DIBL – эффект, 2) эффект подложки, 3) узкоканальный эффект,
4) короткоканальный эффект.

С учетом эффектов влияния подложки и эффектов DIBL (см. лекцию 4), формула (7.5.1) записывается в виде

, (7.5.2)

где - коэффициент влияния подложки, a_DIBL - параметр влияния смещения на стоке на пороговое напряжение (DIBL), - вариация пороговых напряжений от транзистора к транзистору на чипе.

Подпороговые токи утечки определяются как подпороговый ток транзистора при нулевом затворном напряжении. Как видно из формулы (7.5.2), подпороговые токи утечки определяются, главным образом, значением величин в показателе экспоненты. Это касается величины порогового напряжения и фактора неидеальности, связанного с подпороговым размахом затворного напряжения на декаду (см. лекцию 3). Выбор порогового напряжения определяется компромиссом между потреблением и быстродействием. Для быстродействующих схем, где необходимо использование максимальных рабочих токов, порог выбирается на уровне 15-20% от V_DD. Для маломощных схем, где важно минимизировать ток в закрытом состоянии I_OFF, пороговое напряжение выбирается на уровне 40-50% от V_DD.

В заключение следует сказать несколько слов о подпороговом токе в ультракоротких МОПТ с длиной канала менее 10 нм. Такие приборы могут быть реализованы с помощью технологии КНИ с пленками кремния толщиной несколько нанометров. Перенос электронов от истока к стоку в таких приборах носит баллистический характер. При этом наряду с надбарьерным термоактивационным током приобретает большое значение туннельный ток непосредственно сквозь барьер между стоком и истоком (рис. 7.8). С уменьшением длины канала туннельный ток резко возрастает и становится основным компонентом тока в выключенном состоянии. Этот механизм устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала МОПТ, когда этот ток становится доминирующим (при L_eff <~8нм).

Рис. 7.8. Туннелирование через потенциальный барьер между стоком и истоком