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 I₃)

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I₃)

7.4. Ток утечки через pn-переход стока I₁

7.5 Подпороговый ток I₂

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 I₃)

7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока I₃)

7.4. Ток утечки через pn-переход стока I₁

7.5 Подпороговый ток I₂

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 I₁;

2) подпороговый ток I₂;

3) туннельный ток из затвора I₃;

4) ток затвора из-за инжекции горячих носителей I₄;

5) GIDL (Gate Induced Leakage Current) I₅;

6) прокол или смыкание ОПЗ истоков и стоков I₆.

Токи I₂, I₅, I₆ − утечки, существенные только в закрытом состоянии (off), I₁, I₃ − играют важную роль и в закрытом, и в открытом состоянии (on/off). Ток I₄ 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 I₃)

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; В₀=9,2 нм^-1 для п-МОПТ и J_G0 =3 10^-9 пА/мкм²; В₀=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 I₃)

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 I₁

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 I₂

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