Qu'est-ce que EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) ?

Épaisseur d'un film de SiO2 donnant la même capacité de grille qu'un isolant de grille, par exemple high-k. Même avec un film physiquement épais, l'EOT peut être faible, ce qui assure la capacité de grille tout en limitant le courant tunnel.

Nom japonais: EOT(等価酸化膜厚)

« EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) » apparaît dans 7 questions d'entraînement réparties sur 4 thèmes, dont Oxydation et diffusion, Transistors avancés (FinFET et GAA), Physique des semi-conducteurs.

Domaine: Transistors avancés (FinFET et GAA)

Calcul de l'EOT

La capacité de grille par unité de surface vaut ε/t ; tout diélectrique peut donc être converti en l'épaisseur de SiO2 (permittivité relative 3,9) qui donne la même capacité : EOT = épaisseur physique × 3,9/ε. Pour un film high-k de ε = 20, environ 5 nm de film physique donnent 1 nm d'EOT. Un empilement de grille réel comporte plusieurs couches en série, dont les EOT s'additionnent simplement : une fine couche interfaciale de SiO2 compte pour son épaisseur réelle, tandis que la couche high-k au-dessus ne contribue que pour son épaisseur multipliée par 3,9/ε.

Pourquoi les diélectriques de grille sont passés au high-k

Réduire la taille d'un transistor exige une capacité de grille plus élevée pour que la grille garde le contrôle du canal. Avec du SiO2 pur, cela signifie un film plus mince, mais le courant tunnel direct à travers l'oxyde augmente exponentiellement à mesure que le film s'amincit, et en dessous d'environ 2 nm la fuite de grille devient un problème sérieux de consommation et de fiabilité. Un matériau high-k comme l'oxyde d'hafnium (HfO2, ε d'environ 20–25) fournit la même capacité avec un film physiquement bien plus épais : l'effet tunnel est supprimé tandis que l'EOT continue de diminuer. L'oxynitrure de silicium (SiON, ε d'environ 5–6) a constitué l'étape intermédiaire, également apprécié pour bloquer la pénétration du bore.

La couche interfaciale limite la réduction

Les films high-k déposés directement sur le silicium dégradent la mobilité dans le canal par les défauts d'interface, les charges fixes et la diffusion par phonons distants. On conserve donc en dessous une fine couche interfaciale de SiO2 ou de SiON d'environ 0,5–1 nm. Comme sa permittivité est faible, cette couche représente une part importante de l'EOT totale ; les empilements modernes d'environ 0,8–1 nm d'EOT dépendent donc d'une couche interfaciale aussi mince que possible sans dégrader l'interface. La nitruration plasma de la surface de l'oxyde est un moyen d'augmenter sa permittivité sans perturber l'interface Si/SiO2.

EOT et CET

L'EOT est une propriété du seul empilement diélectrique. L'épaisseur équivalente en capacité (CET), extraite d'une capacité mesurée en inversion, est plus grande, car la charge de la couche d'inversion culmine à environ 1 nm sous l'interface en raison du confinement quantique, ce qui ajoute environ 0,3–0,4 nm en équivalent SiO2. Avec des grilles en polysilicium, la déplétion dans l'électrode de grille ajoute encore une contribution ; les grilles métalliques suppriment ce terme, ce qui explique en partie l'association du high-k aux grilles métalliques. À mesure que l'EOT diminue, ces pénalités fixes représentent une part croissante de l'épaisseur électrique.

S'entraîner : questions sur EOT (épaisseur d'oxyde équivalente)

Quelle est la définition de l'EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) ?

  1. AL'épaisseur d'un diélectrique de grille, high-k ou autre, convertie en épaisseur de SiO2 donnant la même capacité de grille
  2. BL'épaisseur physique réelle du diélectrique de grille
  3. CL'épaisseur des niveaux d'interconnexion
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Réponse : A. L'épaisseur d'un diélectrique de grille, high-k ou autre, convertie en épaisseur de SiO2 donnant la même capacité de grille

L'EOT est l'épaisseur que devrait avoir un film de SiO2 (permittivité relative 3,9) pour obtenir la même capacité que le diélectrique de grille : EOT = épaisseur physique × 3,9/ε. Avec un high-k de permittivité relative 20, une épaisseur physique d'environ 5 nm correspond à une EOT de 1 nm. L'EOT des produits avancés est d'environ 0,8 à 1 nm, couche interfaciale comprise. L'épaisseur électrique réelle inclut en outre une contribution due notamment aux effets quantiques de la couche d'inversion, si bien que la valeur mesurée (CET) est légèrement supérieure à l'EOT.

Questions fréquentes

Que signifie EOT en microélectronique ?

EOT signifie equivalent oxide thickness (épaisseur d'oxyde équivalente) : l'épaisseur de SiO2 qui donnerait la même capacité de grille que le diélectrique de grille réel. Elle permet de comparer sur une même échelle des empilements composés de matériaux différents.

Comment convertir l'épaisseur d'un film high-k en EOT ?

On multiplie l'épaisseur physique par 3,9 divisé par la permittivité relative du film. Par exemple, 3 nm d'un film de ε = 22 correspondent à environ 0,53 nm d'EOT, auxquels il faut ajouter l'EOT propre de la couche interfaciale.

Quelle est la différence entre EOT et CET ?

L'EOT ne décrit que l'empilement diélectrique, tandis que la CET est l'épaisseur électrique déduite de la capacité mesurée en inversion. La CET est plus grande en raison du recul quantique de la charge d'inversion et, avec des grilles en polysilicium, de la déplétion de grille.

« EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) » dans les explications

Questions mentionnant « EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) » (7)

  1. Quelle est la définition de l'EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) ?
  2. Quelle valeur est la plus proche de la permittivité relative du silicium ?
  3. Dans un MOSFET à isolant de grille très mince, quel est l’effet du fait que le pic de distribution des électrons de la couche d’inversion se situe légèrement en retrait de l’interface ?
  4. Pourquoi insère-t-on souvent une couche très mince de SiO2 ou analogue entre le silicium et le film high-k (oxyde à base d'hafnium, etc.) dans les transistors high-k/grille métallique ?
  5. Quel est le but principal de l’introduction d’azote dans l’oxyde de grille pour former un oxynitrure (SiON) ?
  6. Quelle valeur est la plus proche de la permittivité relative d’un film de SiO2 formé par oxydation thermique ?
  7. Comment s’appelle le traitement qui introduit à la surface d’un oxyde de grille mince de l’azote produit par plasma ?

Termes associés

Oxynitrure (SiON) Mobilité Couche d'inversion Zone de déplétion (zone de charge d'espace) Capacité de jonction (capacité de déplétion) High-k/grille métallique Tension de seuil Oxydation thermique Plasma Recuit

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