Курсовая работа: Микропроцессоры

можно накопить больший заряд в канале проводимости, а следовательно, и создать больший ток. Таким образом, большая емкость позволяет снижать напряжение на затворе, что немаловажно при уменьшении размеров транзисторов. Кроме того, на ток в канале проводимости оказывает непосредственное влияние и длина самого канала: чем она меньше, тем больший ток можно получить. По мере уменьшения размеров транзистора уменьшалась и толщина слоя диэлектрика. При этом между длиной канала и толщиной слоя диэлектрика соблюдается простое соотношение:

то есть толщина слоя диэлектрика приблизительно в 45 раз меньше длины канала.

В качестве диэлектрического слоя традиционно используется диоксид кремния (SiO₂ ), диэлектрическая проницаемость которого составляет 3,9. Однако уменьшение толщины слоя диэлектрика, которое приводит к возрастанию емкости затвора, то есть положительно сказывается на характеристиках транзистора, имеет свои негативные последствия. Дело в том, что при достижении величины в несколько нанометров начинают сказываться эффекты туннелирования зарядов через слой диэлектрика, что приводит к возникновению токов утечки.

Рисунок 2 - Формирование емкости на затворе

Эта проблема решается путем применения вместо диоксида кремния иных диэлектрических материалов, позволяющих использовать более толстые слои диэлектрика, но, обеспечивающих, тем не менее, увеличение емкости затворного конденсатора.

Такие материалы должны иметь более высокую диэлектрическую проницаемость и потому получили название High-k-диэлектрики (коэффициент к [к1] также обозначает диэлектрическую проницаемость). Пусть, к примеру, емкость конденсатора, образованного диоксидом кремния, равна:

где С_ох — диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, tm— толщина слоя диоксида кремния.

Емкость конденсатора, образованного диэлектриком с высоким значением, составляет:

гдеC_High-K — диэлектрическаяпроницаемость High-K-диэлектрика, U_High-K — толщинаслоя High-K-диэлектрика.

Для того чтобы емкости затворов с использованием диоксида кремния и диэлектрика с High-K были равными, необходимо, чтобы выполнялось условие:

то есть чтобы толщина слоя High-K-диэлектрика была равна:

Таким образом, использование альтернативных материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяет во столько раз повысить толщину слоя диэлектрика по сравнению с толщиной диоксида кремния, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества больше диэлектрической проницаемости диоксида кремния. Увеличение же слоя диэлектрика позволяет, в свою очередь, уменьшить токи утечки.

В качестве High-K-материалов могут использоваться различные соединения, и в настоящее время компанией Intel уже реализован так называемый терагерцевый транзистор, в котором в качестве диэлектрика используется диоксисид стронция (ZrO₂ ). Диэлектрическая проницаемость диоксида стронция равна 25, что в 6,4 раза больше, чем диэлектрическая проницаемость диоксида кремния. Соответственно для обеспечения той же самой емкости конденсатора при использовании диоксида стронция можно использовать в шесть с лишним раз более толстый слой диэлектрика. Это, в свою очередь, позволяет снизить ток утечки примерно в 10 тыс. раз.

Рисунок 3 - Получение диоксида стронция

Для получения диоксида стронция первоначально на поверхность кремния осаждают хлорид кремния (ZrCI₄ ), после чего под воздействием пара он превращается в диоксид стронция, а побочный продукт реакции (соляная кислота) улетучивается (рисунок 3);

ZrC₄ + 2Н₂ О → ZrO₂ + 4HCI ↑.

Таким образом, использование новых диэлектрических материалов позволяет решить проблему возникновения тока утечки через затвор транзистора. Вторая проблема, как уже отмечалось, связана с возникновением тока утечки между истоком и стоком (рисунок 4).

Рисунок 4 - Возникновение тока утечки между истоком и стоком транзистора

Проблема заключается в том, что транзистор, накапливающий заряд, обладает определенной емкостью. Эта емкость является паразитной и влияет на скорость переключения транзистора, то есть делает его более инертным.

Заряд, накапливаемый n-канальным транзистором в то время, когда он «открыт» (то есть когда на затвор подается положительный потенциал), не может «рассосаться» мгновенно после того, как транзистор запирается. В результате возникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтому емкость транзистора желательно сделать как можно меньше. Для этого в новом поколении транзисторов применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой (рисунок 5) на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.

???????. 5 - ????????? SOI-???????????

Использование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.

Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: поскольку при этом увеличивается сопротивление между истоком и стоком, приходится повышать напряжение, что, конечно, негативно отражается на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.

Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей (рисунок 6).