En la industria de los 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 usan para reemplazar un dieléctrico de puerta de dióxido de silicio u otra capa dieléctrica de un dispositivo. La implementación de dieléctricos de puerta de alta κ es una de varias estrategias desarrolladas para permitir una mayor miniaturización de componentes microelectrónicos, conocida coloquialmente como extensión de la Ley de Moore .
A veces, estos materiales se denominan "alta-k" (pronunciado "alta kay"), en lugar de "alta-κ" (alta kappa).
El dióxido de silicio ( SiO 2 ) se ha utilizado como material de óxido de puerta durante décadas. A medida que los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) han disminuido de tamaño, el espesor del dieléctrico de la puerta de dióxido de silicio ha disminuido constantemente para aumentar la capacitancia de la puerta (por unidad de área) y, por lo tanto, impulsar la corriente (por ancho del dispositivo), aumentando rendimiento del dispositivo. A medida que el espesor disminuye por debajo de los 2 nm , las corrientes de fuga debidas a la tunelización aumentan drásticamente, lo que genera un alto consumo de energía y una menor confiabilidad del dispositivo. Reemplazar el dieléctrico de la puerta de dióxido de silicio con un material de alto κ permite aumentar el espesor de la puerta, disminuyendo así la capacitancia de la puerta sin los efectos de fuga asociados.
El óxido de compuerta en un MOSFET se puede modelar como un capacitor de placas paralelas. Haciendo caso omiso de los efectos de la mecánica cuántica y del agotamiento del sustrato y la puerta de Si , la capacitancia C de este condensador de placas paralelas viene dada por
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Dado que la limitación de fugas limita una mayor reducción 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 usar una capa de óxido de compuerta más gruesa que puede reducir la corriente de fuga que fluye a través de la estructura y mejorar la confiabilidad dieléctrica de la compuerta .
La corriente de drenaje I D para un MOSFET se puede escribir (usando la aproximación gradual del canal) como
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El término V G - V th tiene un rango limitado debido a limitaciones 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 puede reducirse fácilmente por debajo de aproximadamente 200 mV, porque las corrientes de fuga debidas al aumento de la fuga de óxido (es decir, suponiendo que no haya dieléctricos de alto κ disponibles) y la conducción por debajo del umbral aumentan el consumo de energía en espera a niveles inaceptables. (Consulte 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 puerta.
Reemplazar el dieléctrico de la puerta de dióxido de silicio con otro material agrega complejidad al proceso de fabricación. El dióxido de silicio se puede formar oxidando el silicio subyacente, lo que garantiza un óxido conforme y uniforme y una alta calidad de la interfaz. Como consecuencia, los esfuerzos de desarrollo se han centrado en encontrar un material con una constante dieléctrica requeridamente alta que pueda integrarse 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 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 de defectos se pueden medir, por ejemplo, utilizando espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con polarización cero, gradiente de temperatura cero, espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con polarización cero , [3] [4] o espectroscopia de túnel de electrones inelástico (IETS).
La industria ha empleado dieléctricos de puerta de oxinitruro desde la década de 1990, en los que un dieléctrico de óxido de silicio formado convencionalmente se infunde con una pequeña cantidad de nitrógeno. El contenido de nitruro eleva sutilmente la constante dieléctrica y se cree que ofrece otras ventajas, como la resistencia contra la difusión de dopantes a través del dieléctrico de puerta.
En 2000, Gurtej Singh Sandhu y Trung T. Doan de Micron Technology iniciaron el desarrollo de películas de alto κ de deposición de capas atómicas para dispositivos de memoria DRAM . Esto ayudó a impulsar la implementación rentable de memorias semiconductoras , comenzando con la 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 puerta metálica para componentes construidos con tecnologías de 45 nanómetros , y lo envió 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 a base de hafnio, para algunos productos en 2008. Si bien no se identifica, el dieléctrico más probable utilizado en tales aplicaciones es alguna forma de nitrurado. silicatos de hafnio ( HfSiON ). HfO 2 y HfSiO son susceptibles a la cristalización durante el recocido de activación dopante. 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 trampas, que tienden a aumentar con el estrés durante la vida útil del dispositivo. Este efecto de fuga se vuelve más grave 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 del ITRS de 2006 predijo que la implementación de materiales con alto κ sería algo común en la industria para 2010.
