عازل كهربائي عالي الكابا

في صناعة أشباه الموصلات ، يُشير مصطلح "العازل ذو ثابت العزل الكهربائي العالي" (κ، كابا ) إلى مادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ مقارنةً بثاني أكسيد السيليكون . تُستخدم هذه العوازل في عمليات تصنيع أشباه الموصلات ، حيث تُستخدم عادةً لاستبدال عازل بوابة ثاني أكسيد السيليكون أو أي طبقة عازلة أخرى في الجهاز. يُعدّ استخدام عوازل البوابة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي أحد الاستراتيجيات العديدة المُطوّرة لزيادة تصغير مكونات الإلكترونيات الدقيقة، وهو ما يُعرف بتوسيع قانون مور .

أحيانًا تسمى هذه المواد "high-k" (تنطق "high kay")، بدلاً من "high-κ" (high kappa).

الحاجة إلى مواد ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ

يُستخدم ثاني أكسيد السيليكون ( SiO₂ ) كمادة أكسيدية للبوابة منذ عقود. ومع انخفاض حجم ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFETs)، انخفض سُمك عازل بوابة ثاني أكسيد السيليكون تدريجيًا لزيادة _سعة البوابة ( لكل وحدة مساحة) وبالتالي تيار التشغيل (لكل عرض الجهاز)، مما يُحسّن أداء الجهاز. وعندما يقل السُمك عن 2 نانومتر ، تزداد تيارات التسريب الناتجة عن النفق الكمومي بشكل كبير، مما يؤدي إلى استهلاك عالٍ للطاقة وانخفاض موثوقية الجهاز. يسمح استبدال ثاني أكسيد السيليكون بمادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ (κ) بتحقيق سعة بوابة أعلى دون الحاجة إلى تقليل السُمك الفعلي للبوابة، وبالتالي كبح تسريب النفق الكمومي مع تمكين استمرار تصغير الحجم.

المبادئ الأساسية

مقارنة بين بنية عازل البوابة التقليدية المصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون وبنية عازلة محتملة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ حيث κ = 16

يمكن نمذجة طبقة أكسيد البوابة في ترانزستور MOSFET على أنها مكثف ذو لوحين متوازيين. وبإهمال تأثيرات ميكانيكا الكم وتأثيرات الاستنزاف من ركيزة السيليكون والبوابة، تُعطى سعة المكثف $C$ لهذا المكثف ذي اللوحين المتوازيين بالعلاقة التالية:

C={\frac {\kappa \varepsilon _{0}A}{t}}

أين

$A$ هي مساحة المكثف
$κ$ هو ثابت العزل النسبي للمادة (3.9 لثاني أكسيد السيليكون )
$ε 0$ هي سماحية الفراغ
$يمثل t$ سمك عازل أكسيد المكثف

بما أن الحد من التسريب يُقيّد المزيد من تقليل $t$ ، فإنّ أحد الأساليب البديلة لزيادة سعة البوابة هو تغيير κ باستبدال ثاني أكسيد السيليكون بمادة ذات κ عالية. في هذه الحالة، يمكن استخدام طبقة أكسيد بوابة أكثر سمكًا، مما يُقلل من تيار التسريب المتدفق عبر البنية ويُحسّن موثوقية عازل البوابة .

تأثير سعة البوابة على تيار التشغيل

يمكن كتابة تيار المصرف $I D$ لترانزستور MOSFET (باستخدام تقريب القناة التدريجي) على النحو التالي

I_{D,{\text{Sat}}}={\frac {W}{L}}\mu \,C_{\text{inv}}{\frac {(V_{G}-V_{\text{th}})^{2}}{2}}

أين

$W$ هو عرض قناة الترانزستور
$L$ هو طول القناة
$μ$ هي قابلية حركة حاملات الشحنة في القناة (مفترضة ثابتة هنا).
$C inv$ هي كثافة السعة المرتبطة بعازل البوابة عندما تكون القناة الأساسية في الحالة المعكوسة
$V G$ هو الجهد المطبق على بوابة الترانزستور
$Vth هو$ جهد العتبة

يُحدَّد نطاق مصطلح $V G - V th$ $نظرًا لقيود الموثوقية والتشغيل عند درجة حرارة الغرفة، إذ أن قيمة V G$ الكبيرة جدًا ستُنشئ مجالًا كهربائيًا عاليًا غير مرغوب فيه عبر طبقة الأكسيد. علاوة على ذلك، لا يُمكن خفض $V th$ بسهولة إلى أقل من 200 مللي فولت تقريبًا، لأن تيارات التسريب الناتجة عن زيادة تسريب الأكسيد (بافتراض عدم توفر مواد عازلة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ) والتوصيل تحت العتبة ترفع استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد إلى مستويات غير مقبولة. (انظر خارطة طريق الصناعة ^{[ 1 ]} التي تحدد العتبة بـ 200 مللي فولت، وروي وآخرون ^{[ 2 ]} ). وبالتالي، وفقًا لهذه القائمة المُبسَّطة من العوامل، تتطلب زيادة $I D,sat$ تقليل طول القناة أو زيادة سعة عازل البوابة.

المواد والاعتبارات

يُضيف استبدال عازل بوابة ثاني أكسيد السيليكون بمادة أخرى تعقيدًا لعملية التصنيع. يُمكن تكوين ثاني أكسيد السيليكون عن طريق أكسدة السيليكون الأساسي، مما يضمن طبقة أكسيد متجانسة ومتوافقة وجودة عالية للسطح البيني. ونتيجةً لذلك، تركزت جهود التطوير على إيجاد مادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ بما يكفي، يُمكن دمجها بسهولة في عملية التصنيع. تشمل الاعتبارات الرئيسية الأخرى محاذاة نطاقات الطاقة مع السيليكون (والتي قد تُغير تيار التسريب)، وبنية الفيلم، والاستقرار الحراري، والحفاظ على حركة عالية لحاملات الشحنة في القناة، وتقليل العيوب الكهربائية في الفيلم/السطح البيني. من بين المواد التي حظيت باهتمام كبير: سيليكات الهافنيوم ، وسيليكات الزركونيوم ، وثاني أكسيد الهافنيوم ، وثاني أكسيد الزركونيوم ، والتي تُرسّب عادةً باستخدام تقنية الترسيب الطبقي الذري .

من المتوقع أن تؤثر حالات العيوب في العازل ذي ثابت العزل الكهربائي العالي على خصائصه الكهربائية. ويمكن قياس حالات العيوب، على سبيل المثال، باستخدام التيار المحفز حرارياً عند انحياز صفري، أو مطيافية التيار المحفز حرارياً عند انحياز صفري مع تدرج حراري صفري ، ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} أو مطيافية نفق الإلكترون غير المرن (IETS).

الاستخدام في الصناعة

تستخدم الصناعة مواد عازلة للبوابات من نوع أوكسي نتريد منذ تسعينيات القرن الماضي، حيث يتم تشريب مادة عازلة من أكسيد السيليكون، مصنعة بالطريقة التقليدية، بكمية صغيرة من النيتروجين. يؤدي محتوى النتريد إلى رفع ثابت العزل الكهربائي بشكل طفيف، ويُعتقد أنه يوفر مزايا أخرى، مثل مقاومة انتشار الشوائب عبر مادة العزل.

في عام 2000، بدأ غورتيج سينغ ساندو وترونغ تي. دوان من شركة مايكرون تكنولوجي بتطوير أغشية عالية السماحية (κ) بتقنية الترسيب الطبقي الذري لأجهزة ذاكرة DRAM . وقد ساهم ذلك في تحقيق تطبيق فعال من حيث التكلفة لذاكرة أشباه الموصلات ، بدءًا من ذاكرة DRAM بتقنية 90 نانومتر . ^[⁵^]^[⁶^]

في أوائل عام 2007، أعلنت شركة إنتل عن استخدام مواد عازلة عالية السماحية (κ) مصنوعة من الهافنيوم مع بوابة معدنية للمكونات المصنعة بتقنيات 45 نانومتر ، وقد طرحتها في سلسلة معالجات 2007 التي تحمل الاسم الرمزي Penryn . ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} في الوقت نفسه، أعلنت شركة IBM عن خططها للانتقال إلى مواد عالية السماحية (κ)، مصنوعة أيضًا من الهافنيوم، لبعض منتجاتها في عام 2008. ورغم عدم تحديدها، يُرجح أن تكون المادة العازلة المستخدمة في هذه التطبيقات نوعًا من سيليكات الهافنيوم المُنتَرة ( HfSiON ). يُذكر أن HfO₂ _و HfSiO عرضة للتبلور أثناء عملية التلدين لتنشيط الشوائب. كما أعلنت شركة NEC Electronics عن استخدام مادة عازلة من HfSiON في تقنية UltimateLowPower الخاصة بها بتقنية 55 نانومتر . ^[⁹^] مع ذلك، حتى HfSiON عرضة لتيارات التسرب الناتجة عن المصائد، والتي تميل إلى الزيادة مع الإجهاد على مدار عمر الجهاز. يزداد تأثير التسريب هذا حدةً مع ازدياد تركيز الهافنيوم. ومع ذلك، لا يوجد ما يضمن أن يصبح الهافنيوم أساسًا فعليًا للمواد العازلة عالية السماحية الكهربائية في المستقبل. وقد توقعت خارطة طريق ITRS لعام 2006 أن يصبح استخدام المواد عالية السماحية الكهربائية شائعًا في الصناعة بحلول عام 2010.

انظر أيضاً

مراجع

↑ "تكامل العمليات والأجهزة والهياكل" (ملف PDF) . خارطة الطريق التكنولوجية الدولية لأشباه الموصلات: تحديث 2006. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 27-09-2007.
↑ كوشيك روي، كيات سينغ يو (2004). أنظمة VLSI الفرعية منخفضة الجهد والطاقة . ماكجرو هيل بروفيشنال. الشكل 2.1، صفحة 44. ISBN 978-0-07-143786-8.
↑ لاو، دبليو إس؛ تشونغ، إل؛ لي، ألين؛ سي، سي إتش؛ هان، تايجون؛ ساندلر، إن بي؛ تشونغ، تي سي (1997). "الكشف عن حالات العيوب المسؤولة عن تيار التسرب في أغشية خماسي أكسيد التنتالوم الرقيقة للغاية (Ta₂O₅) بواسطة مطيافية التيار المحفز حراريًا عند انحياز صفري". رسائل الفيزياء التطبيقية . 71 (4): 500. Bibcode : 1997ApPhL..71..500L . doi : 10.1063/1.119590 .
↑ لاو، و.س.؛ وونغ، ك.ف.؛ هان، تايجون؛ ساندلر، ناثان ب. (2006). "تطبيق مطيافية التيار المحفز حراريًا عند درجة حرارة صفرية وانحياز صفري لتوصيف أغشية عازلة رقيقة جدًا ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ". رسائل الفيزياء التطبيقية . 88 (17): 172906. Bibcode : 2006ApPhL..88q2906L . doi : 10.1063/1.2199590 .
↑ "الحائزون على جائزة أندرو إس. غروف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات" . جائزة أندرو إس. غروف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . مؤرشف من الأصل في 9 سبتمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 4 يوليو 2019 .
↑ ساندو، جورتيج؛ دوان، ترونج تي. (22 أغسطس 2001). "جهاز وطريقة تطعيم الطبقات الذرية" . براءات اختراع جوجل . تم الاطلاع عليه في 5 يوليو 2019 .
↑ "صفحة تقنية السيليكون عالي العزل الكهربائي بتقنية 45 نانومتر من إنتل" . Intel.com . تم الاطلاع عليها بتاريخ 8 نوفمبر 2011 .
↑ "IEEE Spectrum: The High-k Solution" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26-10-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-10-2007 .
↑ "تقنية الطاقة المنخفضة للغاية | تقنية المعالجة المتقدمة | التكنولوجيا | إلكترونيات NEC" . Necel.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 فبراير 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 نوفمبر 2011 .

للمزيد من القراءة

مقالة مراجعة بقلم ويلك وآخرون في مجلة الفيزياء التطبيقية
هوسا، م. (محرر) (2003) مواد عازلة عالية الثابت العازل، معهد الفيزياء، رقم ISBN 0-7503-0906-7دار نشر سي آر سي الإلكترونية
هاف، إتش آر، وجيلمر، دي سي (محرران) (2005) مواد ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ : تطبيقات ترانزستورات MOSFET في الدوائر المتكاملة واسعة النطاق، سبرينغر، رقم ISBN 3-540-21081-4
ديمكوف، أ.أ.، نافروتسكي، أ.، (محرران) (2005) أساسيات مواد عوازل البوابات، سبرينغر، رقم ISBN 1-4020-3077-0
"أكاسيد البوابة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي لترانزستورات السيليكون المصنوعة من أكسيد المعدن" روبرتسون، ج. ( تقرير التقدم في الفيزياء 69 327-396 2006) دار نشر معهد الفيزياء doi : 10.1088/0034-4885/69/2/R02 [أكاسيد البوابة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي]
تغطية إعلامية لإعلانات إنتل/آي بي إم في مارس 2007: أخبار بي بي سي | التكنولوجيا | رقائق إلكترونية تتجاوز حاجز النانو ، مقال في صحيفة نيويورك تايمز (27/1/2007)
غوسيف، إي بي (محرر) (2006) "عيوب في طبقات عازل البوابة عالية الثابت العازل: أجهزة أشباه الموصلات النانوية الإلكترونية"، سبرينغر، رقم ISBN 1-4020-4366-X

[1] "تكامل العمليات والأجهزة والهياكل" (ملف PDF) . خارطة الطريق التكنولوجية الدولية لأشباه الموصلات: تحديث 2006. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 27-09-2007.

[Roy-2] كوشيك روي، كيات سينغ يو (2004). أنظمة VLSI الفرعية منخفضة الجهد والطاقة . ماكجرو هيل بروفيشنال. الشكل 2.1، صفحة 44. ISBN 978-0-07-143786-8.

[3] لاو، دبليو إس؛ تشونغ، إل؛ لي، ألين؛ سي، سي إتش؛ هان، تايجون؛ ساندلر، إن بي؛ تشونغ، تي سي (1997). "الكشف عن حالات العيوب المسؤولة عن تيار التسرب في أغشية خماسي أكسيد التنتالوم الرقيقة للغاية (Ta₂O₅) بواسطة مطيافية التيار المحفز حراريًا عند انحياز صفري". رسائل الفيزياء التطبيقية . 71 (4): 500. Bibcode : 1997ApPhL..71..500L . doi : 10.1063/1.119590 .

[4] لاو، و.س.؛ وونغ، ك.ف.؛ هان، تايجون؛ ساندلر، ناثان ب. (2006). "تطبيق مطيافية التيار المحفز حراريًا عند درجة حرارة صفرية وانحياز صفري لتوصيف أغشية عازلة رقيقة جدًا ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ". رسائل الفيزياء التطبيقية . 88 (17): 172906. Bibcode : 2006ApPhL..88q2906L . doi : 10.1063/1.2199590 .

[ieee-5] "الحائزون على جائزة أندرو إس. غروف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات" . جائزة أندرو إس. غروف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . مؤرشف من الأصل في 9 سبتمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 4 يوليو 2019 .

[6] ساندو، جورتيج؛ دوان، ترونج تي. (22 أغسطس 2001). "جهاز وطريقة تطعيم الطبقات الذرية" . براءات اختراع جوجل . تم الاطلاع عليه في 5 يوليو 2019 .

[7] "صفحة تقنية السيليكون عالي العزل الكهربائي بتقنية 45 نانومتر من إنتل" . Intel.com . تم الاطلاع عليها بتاريخ 8 نوفمبر 2011 .

[8] "IEEE Spectrum: The High-k Solution" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26-10-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-10-2007 .

[9] "تقنية الطاقة المنخفضة للغاية | تقنية المعالجة المتقدمة | التكنولوجيا | إلكترونيات NEC" . Necel.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 فبراير 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 نوفمبر 2011 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[

[

[ 7 ]

[ 8 ]

[

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗