En la industria de semiconductores , el término dieléctrico de alto κ se refiere a un material con una constante dieléctrica alta (κ, kappa ), en comparación con el dióxido de silicio . Los dieléctricos de alto κ se utilizan en procesos de fabricación de semiconductores donde generalmente se utilizan para reemplazar un dieléctrico de compuerta de dióxido de silicio u otra capa dieléctrica de un dispositivo. La implementación de dieléctricos de compuerta de alto κ es una de varias estrategias desarrolladas para permitir una mayor miniaturización de los componentes microelectrónicos, coloquialmente conocida como extensión de la Ley de Moore .
A veces, a estos materiales se les llama “alto-k” (se pronuncia “alto kay”), en lugar de “alto-κ” (alto kappa).
El dióxido de silicio ( SiO2 ) se ha utilizado como material de óxido de compuerta durante décadas. A medida que los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) han disminuido en tamaño, el espesor del dieléctrico de compuerta de dióxido de silicio ha disminuido de manera constante para aumentar la capacitancia de la compuerta (por unidad de área) y, por lo tanto, impulsar la corriente (por ancho de dispositivo), lo que aumenta el rendimiento del dispositivo. A medida que el espesor se reduce por debajo de los 2 nm , las corrientes de fuga debido al efecto túnel aumentan drásticamente, lo que genera un alto consumo de energía y una menor confiabilidad del dispositivo. Reemplazar el dieléctrico de compuerta de dióxido de silicio con un material de alto κ permite aumentar el espesor de la compuerta, lo que disminuye la capacitancia de la compuerta sin los efectos de fuga asociados.
El óxido de compuerta de un MOSFET se puede modelar como un condensador de placas paralelas. Ignorando los efectos mecánicos cuánticos y de agotamiento del sustrato de Si y la compuerta, la capacitancia C de este condensador de placas paralelas viene dada por
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Dado que la limitación de fugas limita la reducción adicional de t , un método alternativo para aumentar la capacitancia de la compuerta es alterar κ reemplazando el dióxido de silicio con un material de alto κ. En tal escenario, se podría utilizar una capa de óxido de compuerta más gruesa que puede reducir la corriente de fuga que fluye a través de la estructura, así como mejorar la confiabilidad dieléctrica de la compuerta .
La corriente de drenaje I D para un MOSFET se puede escribir (usando la aproximación de canal gradual) como
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El término V G − V th tiene un rango limitado debido a las restricciones de confiabilidad y operación a temperatura ambiente, ya que un V G demasiado grande crearía un campo eléctrico alto e indeseable a través del óxido. Además, V th no se puede reducir fácilmente por debajo de aproximadamente 200 mV, porque las corrientes de fuga debido al aumento de la fuga de óxido (es decir, suponiendo que no haya dieléctricos de alto κ disponibles) y la conducción subumbral aumentan el consumo de energía en espera a niveles inaceptables. (Véase la hoja de ruta de la industria, [1] que limita el umbral a 200 mV, y Roy et al. [2] ). Por lo tanto, de acuerdo con esta lista simplificada de factores, un I D,sat aumentado requiere una reducción en la longitud del canal o un aumento en la capacitancia dieléctrica de la compuerta.
La sustitución del dieléctrico de la compuerta de dióxido de silicio por otro material añade complejidad al proceso de fabricación. El dióxido de silicio se puede formar oxidando el silicio subyacente, lo que garantiza un óxido uniforme y conforme y una alta calidad de interfaz. Como consecuencia, los esfuerzos de desarrollo se han centrado en encontrar un material con una constante dieléctrica alta requerida que se pueda integrar fácilmente en un proceso de fabricación. Otras consideraciones clave incluyen la alineación de la banda con el silicio (que puede alterar la corriente de fuga), la morfología de la película, la estabilidad térmica, el mantenimiento de una alta movilidad de los portadores de carga en el canal y la minimización de los defectos eléctricos en la película/interfaz. Los materiales que han recibido considerable atención son el silicato de hafnio , el silicato de circonio , el dióxido de hafnio y el dióxido de circonio , que normalmente se depositan mediante deposición de capas atómicas .
Se espera que los estados defectuosos en el dieléctrico de alto κ puedan influir en sus propiedades eléctricas. Los estados defectuosos se pueden medir, por ejemplo, utilizando una corriente estimulada térmicamente de polarización cero, una espectroscopia de corriente estimulada térmicamente de polarización cero con gradiente de temperatura cero [ 3 ] [4] o una espectroscopia de efecto túnel electrónico inelástico (IETS).
La industria ha empleado dieléctricos de compuerta de oxinitruro desde la década de 1990, en los que un dieléctrico de óxido de silicio formado de manera convencional se infunde con una pequeña cantidad de nitrógeno. El contenido de nitruro aumenta sutilmente la constante dieléctrica y se cree que ofrece otras ventajas, como la resistencia contra la difusión de dopantes a través del dieléctrico de la compuerta.
En 2000, Gurtej Singh Sandhu y Trung T. Doan de Micron Technology iniciaron el desarrollo de películas de deposición de capas atómicas de alto κ para dispositivos de memoria DRAM . Esto ayudó a impulsar la implementación rentable de la memoria de semiconductores , comenzando con DRAM de nodo de 90 nm . [5] [6]
A principios de 2007, Intel anunció el despliegue de dieléctricos de alto κ basados en hafnio junto con una compuerta metálica para componentes construidos sobre tecnologías de 45 nanómetros , y los ha enviado en la serie de procesadores de 2007 con nombre en código Penryn . [7] [8] Al mismo tiempo, IBM anunció planes para la transición a materiales de alto κ, también basados en hafnio, para algunos productos en 2008. Aunque no se identificó, el dieléctrico más probable utilizado en tales aplicaciones es alguna forma de silicatos de hafnio nitrurados ( HfSiON ). HfO 2 y HfSiO son susceptibles a la cristalización durante el recocido de activación de dopantes. NEC Electronics también ha anunciado el uso de un dieléctrico HfSiON en su tecnología UltimateLowPower de 55 nm. [9] Sin embargo, incluso HfSiON es susceptible a corrientes de fuga relacionadas con la trampa, que tienden a aumentar con el estrés durante la vida útil del dispositivo. Este efecto de fuga se vuelve más severo a medida que aumenta la concentración de hafnio. Sin embargo, no hay garantía de que el hafnio sirva como base de facto para futuros dieléctricos de alto κ. La hoja de ruta de ITRS de 2006 predijo que la implementación de materiales de alto κ sería algo común en la industria para 2010.
