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Dieléctrico de alto κ

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).

Necesidad de materiales de alto κ

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.

Primeros principios

Estructura dieléctrica de compuerta de dióxido de silicio convencional comparada con una estructura dieléctrica potencial de alto κ donde κ = 16
Sección transversal de un transistor MOSFET de canal n que muestra el dieléctrico de óxido de compuerta

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

dónde

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 .

Impacto de la capacitancia de la compuerta en la corriente de excitación

La corriente de drenaje I D para un MOSFET se puede escribir (usando la aproximación de canal gradual) como

dónde

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.

Materiales y consideraciones

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).

Uso en la industria

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.

Véase también

Referencias

  1. ^ "Integración de procesos, dispositivos y estructuras" (PDF) . Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores: actualización de 2006 . Archivado desde el original (PDF) el 27 de septiembre de 2007.
  2. ^ Kaushik Roy, Kiat Seng Yeo (2004). Subsistemas VLSI de bajo voltaje y bajo consumo. McGraw-Hill Professional. Fig. 2.1, pág. 44. ISBN 978-0-07-143786-8.
  3. ^ Lau, WS; Zhong, L.; Lee, Allen; See, CH; Han, Taejoon; Sandler, NP; Chong, TC (1997). "Detección de estados defectuosos responsables de la corriente de fuga en películas ultradelgadas de pentóxido de tantalio (Ta[sub 2]O[sub 5]) mediante espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con polarización cero". Applied Physics Letters . 71 (4): 500. Bibcode :1997ApPhL..71..500L. doi :10.1063/1.119590.
  4. ^ Lau, WS; Wong, KF; Han, Taejoon; Sandler, Nathan P. (2006). "Aplicación de espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con polarización cero y gradiente de temperatura cero a la caracterización de películas aislantes ultradelgadas con alta constante dieléctrica". Applied Physics Letters . 88 (17): 172906. Bibcode :2006ApPhL..88q2906L. doi :10.1063/1.2199590.
  5. ^ "Ganadores del premio IEEE Andrew S. Grove". Premio IEEE Andrew S. Grove . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos . Archivado desde el original el 9 de septiembre de 2018. Consultado el 4 de julio de 2019 .
  6. ^ Sandhu, Gurtej; Doan, Trung T. (22 de agosto de 2001). "Aparato y método de dopaje de capas atómicas". Google Patents . Consultado el 5 de julio de 2019 .
  7. ^ "Página de la tecnología de silicio Intel High-k de 45 nm". Intel.com . Consultado el 8 de noviembre de 2011 .
  8. ^ "IEEE Spectrum: La solución High-k". Archivado desde el original el 26 de octubre de 2007. Consultado el 25 de octubre de 2007 .
  9. ^ "Tecnología UltimateLowPower|Tecnología de procesos avanzados|Tecnología|NEC Electronics". Necel.com. Archivado desde el original el 19 de febrero de 2010. Consultado el 8 de noviembre de 2011 .

Lectura adicional