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Dieléctrico de alto κ

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El término dieléctrico alto en 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 los procesos de fabricación de semiconductores, donde normalmente se utilizan para reemplazar un dieléctrico de puerta de dióxido de silicio u otra capa dieléctrica de un dispositivo. La implementación de dieléctricos de puerta de alto 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 "alto-k" (pronunciado "alto kay"), en lugar de "alto-kappa" (alto kappa).

Contenido
  • 1 Necesidad de materiales de alto κ
    • 1.1 Primeros principios
    • 1.2 Impacto de la capacitancia de la puerta en la corriente de accionamiento
  • 2 Materiales y consideraciones
  • 3 Uso en la industria
  • 4 Ver también
  • 5 referencias
  • 6 Lecturas adicionales

Necesidad de materiales de alto κ

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 de semiconductores de óxido de metal (MOSFET) han disminuido de tamaño, el grosor 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 de dispositivo), aumentando rendimiento del dispositivo. A medida que el espesor se escala por debajo de 2  nm, las corrientes de fuga debidas a los túneles aumentan drásticamente, lo que lleva a un alto consumo de energía y a una menor confiabilidad del dispositivo. Reemplazar el dieléctrico de la puerta de dióxido de silicio con un material de alto κ permite una mayor capacitancia de la puerta sin los efectos de fuga asociados.

Primeros principios

El óxido de la puerta en un MOSFET se puede modelar como un condensador de placa paralela. Ignorando los efectos de la mecánica cuántica y de agotamiento del sustrato y la puerta de Si, la capacitancia C de este capacitor de placas paralelas viene dada por

C= κ ε 0 A t
{\ Displaystyle C = {\ frac {\ kappa \ varepsilon _ {0} A} {t}}}
Estructura dieléctrica de puerta de dióxido de silicio convencional en comparación con una estructura dieléctrica de alto potencial de k donde κ = 16 Sección transversal de un transistor MOSFET de canal n que muestra el dieléctrico de óxido de puerta

dónde

Dado que la limitación de fugas restringe una mayor reducción de t, un método alternativo para aumentar la capacitancia de la puerta 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 puerta más gruesa que puede reducir la corriente de fuga que fluye a través de la estructura, así como mejorar la confiabilidad dieléctrica de la puerta.

Impacto de la capacitancia de la puerta en la corriente de accionamiento

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

I D , Se sentó= W Lμ C inv ( V GRAMO - V th ) 2 2
{\ Displaystyle I_ {D, {\ text {Sáb}}} = {\ frac {W} {L}} \ mu \, C _ {\ text {inv}} {\ frac {(V_ {G} -V_ { \ text {th}}) ^ {2}} {2}}}

dónde

  • W es el ancho del canal del transistor
  • L es la longitud del canal
  • μ es la movilidad de la portadora del canal (se asume constante aquí)
  • C inv es la densidad de capacitancia asociada con el dieléctrico de la puerta cuando el canal subyacente está en el estado invertido
  • V G es el voltaje aplicado a la puerta del transistor
  • V th es el voltaje umbral

El término V G - V th tiene un rango limitado debido a la confiabilidad y las limitaciones de operación a temperatura ambiente, ya que un V G demasiado grande crearía un campo eléctrico alto e indeseable a través del óxido. Además, V º no puede ser fácilmente reducido por debajo de aproximadamente 200 mV, porque las corrientes de fuga debido a una mayor fuga de óxido (es decir, suponiendo que los dieléctricos de alto κ no están disponibles) y la conducción subumbral stand-by elevar el consumo de energía a niveles inaceptables. (Consulte la hoja de ruta de la industria, que limita el umbral a 200 mV, y Roy et al.). Por tanto, de acuerdo con esta lista simplificada de factores, un aumento de I D, sat requiere una reducción en la longitud del canal o un aumento en la capacitancia dieléctrica de la puerta.

Materiales y consideraciones

Reemplazar el dieléctrico de la puerta de dióxido de silicio por otro material agrega complejidad al proceso de fabricación. El dióxido de silicio se puede formar oxidando el silicio subyacente, lo que garantiza un óxido de conformación uniforme y una alta calidad de interfaz. Como consecuencia, los esfuerzos de desarrollo se han centrado en encontrar un material con una constante dieléctrica requerida 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 los defectos eléctricos en la película / interfaz. Los materiales que han recibido una atención considerable son el silicato de hafnio, el silicato de circonio, el dióxido de hafnio y el dióxido de circonio, depositados típicamente mediante deposición de capa atómica.

Se espera que los estados defectuosos en el dieléctrico de alta k puedan influir en sus propiedades eléctricas. Los estados de defecto se pueden medir, por ejemplo, utilizando corriente estimulada térmicamente con polarización cero, espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con polarización cero con gradiente de temperatura cero o espectroscopia de túnel de electrones inelástica (IETS).

Uso en la industria

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 del dopante a través del dieléctrico de la puerta.

En 2000, Gurtej Singh Sandhu y Trung T. Doan de Micron Technology iniciaron el desarrollo de películas de alta k de deposición de capas atómicas para dispositivos de memoria DRAM. Esto ayudó a impulsar la implementación rentable de la memoria de semiconductores, comenzando con la DRAM de nodo de 90 nm.

A principios de 2007, Intel anunció el despliegue de dieléctricos de alto k basados ​​en hafnio junto con una compuerta metálica para componentes construidos con tecnologías de 45 nanómetros, y lo envió en la serie de procesadores 2007 con nombre en código Penryn. Al mismo tiempo, IBM anunció planes para la transición a materiales con alto contenido de k, también a base de hafnio, para algunos productos en 2008. Aunque no está identificado, el dieléctrico más probable utilizado en tales aplicaciones es alguna forma de silicatos de hafnio nitrurados ( HfSiON). HfO 2y HfSiO son susceptibles de 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. Sin embargo, incluso HfSiON es susceptible a corrientes de fuga relacionadas con trampas, que tienden a aumentar con la tensión durante la vida útil del dispositivo. Este efecto de fuga se agrava 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 k. La hoja de ruta de ITRS de 2006 predijo que la implementación de materiales de alta k sería un lugar común en la industria para 2010.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

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