10.Токи утечки в наноэлектронных структурах

10.1.Токи утечки как ограничитель развития технологии

Все цифровые элементы представляют собой неравновесные открытые электронные системы, хранение и обработка сигналов в которых возможны только при надежной блокировке токов между узлами, находящимися при различных потенциалах. Блокировка тока может осуществляться только за счет создания потенциальных барьеров между узлами (сток, исток, затвор, подложка). Таковыми барьерами являются, в частности:

подзатворный окисел; потенциальный барьер между стоком и истоком;

барьер pn-перехода между стоком (истоком) и подложкой. Возможность термоактивационного переброса носителей через

барьер и их квантовомеханического подбарьерного туннелирования определяет появление статических токов утечки между электродами транзисторов.

Различают динамическое (активное) и статическое (пассивное) энергопотребление. Первое пропорционально тактовой частоте f

и активности схемы α (т.е., в конечном итоге, эффективной частоте переключения); второе определяется статическими токами утечки. Среднюю потребляемую мощность одной ячейки с эффективной емкостью Ctot можно записать в виде

P	= I	ST	V	+α C	V 2	f .	(10.1.1)
tot			DD	tot	DD

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 (~ 1 нм) подзатворный окисел (возможное решение – использование high-K изоляторов);

межзонные туннельные токи утечки через pn-переход стока в подложку (GIDL) (возможное решение – использование технологии КНИ).

226

Рис. 10.1. Тенденции динамического и статического энергопотребления с увеличением степени миниатюризации

Роль статического энергопотребления непрерывно растет, и ожидается, что в ближайшем будущем пассивная компонента энергопотребления будет больше активной (рис. 10.1).

Результаты анализа по определению минимальных геометрических размеров сверхмалых транзисторов приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Минимальные размеры современной объемной КМОП технологии по оценкам фирмы «Intel»

Минимальные размеры	Предел	Причина
Толщина окисла (SiO2)	~ 1 нм	Утечка через затвор (IGATE)
Глубина перехода	~30/15 нм	Сопротивление
стока/SDE
Пороговое напряжение	~0.2 В	Подпороговые утечки
		(IOFF)
Длина канала/затвора	~ 6/10 нм	Прокол (punch-through),
		утечки (IOFF)

Главный вывод проведенного анализа состоит в том, что токи утечки – главный практический ограничитель миниатюризации приборов.

227

10.2. Классификация токов утечки в современных МОПТ

Особую роль в различных приложениях современной микроэлектроники приобретают микропроцессоры с пониженным энергопотреблением, что выводит на первый план проблему токов утечек в закрытом режиме работы МОПТ.

Особенностями наноэлектроники с пониженным энергопотреблением являются

низкие напряжения питания; малые пороговые напряжения;

невысокая помехоустойчивость и особая чувствительность к токам утечки.

В этом пункте будет проведено краткое рассмотрение критических путей и механизмов утечек.

Рис.10.2. Механизмы токов утечки в современных МОПТ объемной технологии

Наиболее важные механизмы токов утечек в современных транзисторах представлены схематично на рис. 10.2.

Таковыми являются:

1)ток обратносмещенного pn-перехода стока (on/off);

2)подпороговый ток (off);

3)туннельный ток из затвора (on/off);

4)ток затвора из-за инжекции горячих носителей (off или при переключении);

5)GIDL (off);

6)прокол или смыкание ОПЗ истоков и стоков (off).

228

В этом списке отмечены утечки, существенные только в закрытом состоянии (off), либо играющие важную роль и в закрытом, и в открытом состоянии (on/off).

Роль различных механизмов утечки менялась по мере развития технологии. В старых длинноканальных технологиях ~ 1 мкм доминировали токи обратносмещенного pn-перехода, для длин канала ~ 0.5 мкм доминируют подпороговые токи между стоком и истоком. Для технологий с технологической нормой менее 100 нм начинает доминировать туннельный ток через тонкий подзатворный окисел (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Тенденции в изменении туннельных токов затора (♦) и подпороговых токов утечки (▲)

Наконец, в наноразмерных транзисторах с длиной менее 50 нм важнейшую роль приобретают туннельные токи в обратносмещенных сильнолегированных pn-переходах. Недопустимое увеличение туннельных токов утечек через обратносмещенный переход стока в МОПТ объемных технологий является одним из главных мотивов перехода на КНИ технологию.

229