गेट डाइइलेक्ट्रिक लेयर सामग्री के रूप में हाई-के सामग्री का उपयोग क्यों करें?

गेट डाइइलेक्ट्रिक लेयर सामग्री के रूप में हाई-के सामग्री का उपयोग क्यों करें?

गेट डाइइलेक्ट्रिक परत का विकास कैसे हुआ? उन्नत प्रक्रिया में गेट डाइइलेक्ट्रिक परत के रूप में उच्च-k सामग्री का उपयोग क्यों किया जाता है?

उन्नत नोड्स के गेट डाइइलेक्ट्रिक परत के लिए क्या उपयोग किया जाता है?

प्रौद्योगिकी नोड	संरचनात्मक विशेषताएँ	हाई-के मीडियम
		एनएमओएस	पीएमओएस
45 एनएम	प्लानर	HfO₂/ZrO	HfO₂/ZrO
32 एनएम	प्लानर	एचएफओ₂	एचएफओ₂
22 एनएम	फिनफेट/ट्राई-गेट	एचएफओ₂	एचएफओ₂
14 एनएम	फिनफेट/ट्राई-गेट	एचएफओ₂	एचएफओ₂

जैसा कि ऊपर दी गई तालिका में दिखाया गया है, 45nm नोड और नीचे, HKMG (हाई-के मेटल गेट) प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है, और हाई-के सामग्री का उपयोग गेट डाइइलेक्ट्रिक परत के रूप में किया जाता है; 45nm से ऊपर के नोड्स मुख्य रूप से गेट डाइइलेक्ट्रिक परत के रूप में सिलिकॉन ऑक्साइड का उपयोग करते हैं।

गेट डाइइलेक्ट्रिक परत क्या है?

जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में दिखाया गया है, आरेख के शीर्ष पर ग्रे क्षेत्र गेट को दर्शाता है, और स्रोत और नाली के बीच एक वर्तमान चैनल के गठन को नियंत्रित करने के लिए गेट पर एक वोल्टेज लगाया जाता है। गेट के नीचे की हल्की पीली परत गेट डाइइलेक्ट्रिक परत को दर्शाती है, जो गेट और सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट को प्रत्यक्ष धारा चालन से अलग करती है।

गेट लीकेज करंट क्या है?

जैसे-जैसे प्रक्रिया नोड सिकुड़ता है, चिप का आकार घटता जाता है, और गेट ऑक्साइड परत पतली होती जाती है, और जब गेट डाइइलेक्ट्रिक परत बहुत पतली (2nm से कम) या उच्च वोल्टेज पर होती है, तो इलेक्ट्रॉन टनलिंग प्रभाव के माध्यम से डाइइलेक्ट्रिक परत से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गेट और सब्सट्रेट के बीच लीकेज करंट उत्पन्न होता है।

लीकेज करंट के कारण समस्याएँ?

चिप की बिजली खपत बढ़ जाती है, गर्मी उत्पादन बढ़ जाता है, और स्विचिंग की गति कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, लॉजिक सर्किट में, लीकेज करंट गेट-लेवल लॉजिक सर्किट में लेवल ड्रिफ्ट का कारण बन सकता है।

उच्च-के सामग्री का उपयोग क्यों करें?

हाई-के डाइइलेक्ट्रिक पदार्थों में पारंपरिक SiO₂ की तुलना में अधिक डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक (k-value) होता है। हाई-के मीडिया के प्रकार हैं:

उच्च-k सामग्री	पारद्युतिक स्थिरांक
हेफ़नियम HfO2 ऑक्साइड	25
टाइटेनियम ऑक्साइड TiO2	30-80
ज़िरकोनिया ZrO2	25
टैंटालम पेंटोक्साइड Ta2O5	25-50
बेरियम स्ट्रोंटियम टाइटेनेट BST	100-800
स्ट्रोंटियम टाइटेनेट STO	230+
लीड टाइटेनेट PZT	400-1500

धारिता सूत्र: C=ϵ⋅A\d

ε\d परावैद्युत स्थिरांक है, AA संधारित्र का क्षेत्रफल है, और dd परावैद्युत परत की मोटाई है।

जैसा कि सूत्र में दिखाया गया है, एक निश्चित C पर ε जितना बड़ा होगा, A/d अनुपात उतना ही छोटा होगा। उच्च-k परावैद्युत के साथ भी, धारिता को बनाए रखते हुए परावैद्युत परत की मोटाई बढ़ाना संभव है। उच्च-k सामग्रियों की भौतिक मोटाई सिलिकॉन ऑक्साइड की तुलना में 3 ~ 6 गुना अधिक है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक टनलिंग करंट इंसुलेशन परत की मोटाई से तेजी से संबंधित है, जो गेट परावैद्युत परत के क्वांटम टनलिंग प्रभाव को काफी कम कर देगा, जिससे गेट लीकेज करंट में प्रभावी रूप से सुधार होगा।