Kõrge-k-dielektrik

Kõrge-k-dielektrik (ingl high-κ dielectric) kirjeldab materjale, mille suhteline dielektriline läbitavus  on suurem kui ränidioksiidil (εr = 3,9). (Terminiosa ’kõrge-k’ on ingliskeelse high-κ ebatäpne tõlge; suhtelist dielektrilist läbitavust tähistatakse siin kreeka tähega  (kapa), mis aga on asendatud ladina tähega k.)

Kõrge-k-dielektrikuid kasutatakse väljatransistoride paisuelektroodi materjalina ränidioksiidi asemel, et veelgi vähendada transistoride ja teiste mikroelementide mõõtmeid. Suurem üleminek kõrge-k-materjalidele algas 2007. aastal, kui Intel teatas nende materjalide kasutuselevõtust.

Kõrge-k-materjalide vajadus
Ränidioksiidi on kasutatud transistoride paisu dielektrikuna juba üle poole sajandi. Selle aja jooksul on transistoride suurus kahanenud ning sellega koos on ka vähenenud ränidioksiidi paksus. Mõõtmete vähenemine on omakorda kaasa toonud mikroelektroonikaseadmete jõudluse suure kasvu. Dielektrikute paksuse vähenemine alla 2 nm on aga kaasa toonud probleeme seoses lekkevoolu kasvuga, sest ränidioksiidi kihi kahanemine mõne aatomkihi paksuseks võimaldab tunneleerumist. Tagajärjeks on voolutarbe suurenemine ja elektroonikaseadme töökindluse vähenemine. Kõrge-k-dielektriku kasutamisel on võimalik suurendada transistori lätte ja paisu vahelist mahtuvust ilma lekkevooludeta. Suurema mahtuvuse korral paraneb transistori oleku salvestusvõime värskendusstüklites.

Põhimõte
MOSFETi saab modelleerida kui kahe paralleelse plaadi ja dielektrikuga kondensaatorit. Kui mitte arvestada kvantmehaanikalisi efekte ja lävipinge kõikumist Si-pooljuhtplaadi ja paisu vahel, kirjeldab plaatidevahelist mahtuvust C valem

kus
 on elektriline konstant vaakumi dielektriline läbitavus 
 on materjali suhteline dielektriline läbitavus;
 on kondensaatori pindala;
 on dielektrikukihi paksus (plaatide vahekaugus).

Järelikult saab suurema  väärtusega materjali ehk kõrge-k-dielektriku kasutamise korral teha dielektrikukiht paksem, et vähendada paisu dielektrikut läbivat lekkevoolu ja suurendada tema töökindlust.

Paisu mahutavuse mõju juhtimisvoolule
MOSFET-transistori neelu vool ID saab teatud lähenduses väljendada valemiga

kus
W on transistori kanali laius;
L on kanali pikkus;
μ on kanali kandja liikuvus( konstantne selles valemis);
Cinv kirjeldab emahtuvust, kui kanal on inverteeritud seisundis;
VG on pinge transistori paisul;
VD on pinge transistori neelul;
Vth on lävipinge.

Suurus VG – Vth on limiteeritud kindlasse piirkonda, et tõsta töökindlust ning tagada töötavus toatemperatuuril. Liiga suur VG tekitab soovimatult suure elektrivälja paisuoksiidil, mis tõstab oluliselt transistori jahutamise vajadust. Lisaks pole võimalik lihtsate vahenditega langetada Vth väärtust alla 200 mV. Seega ID,sat tõstmiseks on vaja kas vähendada kanali pikkust või suurendada paisu dielektriku paksust.

Uued materjalid
Ränidioksiidist paisuoksiidi alternatiivsete materjalidega asendamine muudab transistori tootmisprotsessi keerulisemaks. Praeguste meetoditega on lihtne teostada ränidioksiidi kihi oksüdeerumist ränist pooljuhtplaadile nii, et tulemus oleks homogeene. Ränidioksiidi asendamisel võimalikult suurt dielektrilist läbitavust omava materjaliga on oluline, et uut materjali oleks lihtne integreerida olemasolevasse tootmisprotsessi. Samuti on olulised omadused temperatuuristabiilsus, kile morfoloogia, laengukandjate suur liikuvus kanalis, võimalikult vähe defekte kiles ja hea ühilduvus räniga. Võimalikud ränidioksiidi asendajad on hafniumdioksiid (HfO2), tsirkooniumdioksiid (ZrO2) ja titaandioksiid (TiO2).

Kõrge-k-dielektrikute kasutuselevõtu etapid
1990ndatel võeti paisu dielektrikuna kasutusele ränioksünitriid SiOxNy, mis asendas traditsioonilist ränidioksiidi. Amorfne SiOxNy võimaldab suurendada määral dielektrilist läbitavust ja vähendab difusiooni läbi paisu dielektriku.

2007. aastal teatas Intel, et hafniumil põhinevad dielektrikud on võetud kasutusele 45 nm tehnoloogiaga protsessorites Penryn. Samal ajal IBM teatas oma soovist üle minna hafniumipõhisele metallpaisule osadel 2008. aasta toodetel.

2009. aastal avaldas Intel, et on oma 32 nm tehnoloogias kasutusele võtnud 2. generatsiooni kõrge-k-dielektrikud. Võrreldes 45 mm tehnoloogiaga on 2. generatsiooni dielektrikute kasutuselevõtt parandanud protsessori jõudlust 20% võrra.

2011. aastal Intel avaldas, et oma 22 nm mikroprotsessorites koodinimega Ivy Bridge võetakse kasutusele 3. generatsiooni dielektrikud. Lisaks toimus üleminek ruumilisele kolme paisuga transistoridele.

Viited 

Elektrimaterjalid
Väljatransistorid