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Articulo de referencia

Dieléctrico de alto kappa

En la industria de los semiconductores , el término dieléctrico de alta κ se refiere a un material con una constante dieléctrica (κ, kappa ) elevada, en comparación con el dióxi...

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En la industria de los semiconductores , el término dieléctrico de alta κ se refiere a un material con una constante dieléctrica (κ, kappa ) elevada, en comparación con el dióxido de silicio . Los dieléctricos de alta κ se utilizan en los procesos de fabricación de semiconductores , donde generalmente reemplazan el 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 las diversas estrategias desarrolladas para permitir una mayor miniaturización de los componentes microelectrónicos, lo que se conoce coloquialmente como la extensión de la ley de Moore .

A veces, a estos materiales se les llama "high-k" (pronunciado "high kay"), en lugar de "high-κ" (high kappa).

Necesidad de materiales de alta constante dieléctrica (κ)

El dióxido de silicio ( SiO₂ ) se ha utilizado como material de óxido de puerta durante décadas. A medida que los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) han disminuido de tamaño, el espesor del dieléctrico de puerta de dióxido de silicio se ha reducido progresivamente para aumentar la capacitancia de puerta (por unidad de área) y, por lo tanto, la corriente de conducción (por ancho del dispositivo), mejorando así el rendimiento del dispositivo. Cuando el espesor se reduce por debajo de 2 nm , las corrientes de fuga debidas al efecto túnel aumentan drásticamente, lo que conlleva un alto consumo de energía y una menor fiabilidad del dispositivo. Sustituir el dióxido de silicio por un material de alta constante dieléctrica (κ) permite alcanzar una mayor capacitancia de puerta sin reducir aún más el espesor físico de la puerta, suprimiendo así las fugas por efecto túnel y permitiendo una miniaturización continua. 

Primeros principios

Estructura dieléctrica de puerta de dióxido de silicio convencional en comparación con una posible estructura dieléctrica de alto κ donde κ  =  16
Sección transversal de un transistor MOSFET de canal n que muestra el dieléctrico de óxido de puerta.

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

do=κε0At{\displaystyle C={\frac {\kappa \varepsilon _{0}A}{t}}}

dónde

Dado que la limitación de fugas restringe una mayor reducción de t , un método alternativo para aumentar la capacitancia de puerta consiste en modificar κ reemplazando el dióxido de silicio por un material de alta κ. En tal caso, se podría utilizar una capa de óxido de puerta más gruesa, lo que reduciría la corriente de fuga que fluye a través de la estructura y mejoraría la fiabilidad del dieléctrico de puerta .

Impacto de la capacitancia de puerta en la corriente de conducción

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

ID,Se sentó=WLμdoinv(VGRAMO−Vel)22{\displaystyle I_{D,{\text{Sat}}}={\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 los portadores del canal (aquí se supone constante).
  • C inv es la densidad de capacitancia asociada con el dieléctrico de puerta cuando el canal subyacente está en el estado invertido.
  • V G es el voltaje aplicado a la puerta del transistor.
  • Vth es el voltaje umbral

El término V G − V th tiene un rango limitado debido a las restricciones de fiabilidad y de funcionamiento 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 unos 200  mV, porque las corrientes de fuga debidas al aumento de la fuga del óxido (es decir, suponiendo que no se disponga de dieléctricos de alta κ) y la conducción subumbral elevan 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, según 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 del dieléctrico de puerta.

Materiales y consideraciones

Sustituir el dieléctrico de puerta de dióxido de silicio por otro material añade complejidad al proceso de fabricación. El dióxido de silicio se puede formar oxidando el silicio subyacente, asegurando un óxido uniforme y conforme y una alta calidad de interfaz. En consecuencia, los esfuerzos de desarrollo se han centrado en encontrar un material con una constante dieléctrica suficientemente alta que pueda integrarse fácilmente en un proceso de fabricación. Otras consideraciones clave incluyen la alineación de bandas 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 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 , depositados típicamente mediante deposición de capa atómica .

Se espera que los estados de defecto en el dieléctrico de alta κ 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 y gradiente de temperatura cero , [ 3 ] [ 4 ] o espectroscopia de tunelización electrónica inelástica (IETS).

Uso en la industria

La industria utiliza dieléctricos de puerta de oxinitruro desde la década de 1990. En estos dieléctricos, se introduce una pequeña cantidad de nitrógeno en un dieléctrico de óxido de silicio de fabricación convencional. El contenido de nitruro aumenta sutilmente la constante dieléctrica y se cree que ofrece otras ventajas, como resistencia a 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 alta constante dieléctrica (κ) mediante deposición de capas atómicas para dispositivos de memoria DRAM . Esto contribuyó a impulsar la implementación rentable de la memoria semiconductora , comenzando con la DRAM de nodo de 90 nm . [ 5 ] [ 6 ]

A principios de 2007, Intel anunció el despliegue de dieléctricos de alta κ basados ​​en hafnio junto con una puerta metálica para componentes construidos en tecnologías de 45 nanómetros , y lo ha enviado en la serie de procesadores de 2007 con nombre en clave Penryn . [ 7 ] [ 8 ] Al mismo tiempo, IBM anunció planes para la transición a materiales de alta κ, también basados ​​en hafnio, para algunos productos en 2008. Aunque no se ha identificado, el dieléctrico más probable utilizado en tales aplicaciones es alguna forma de silicatos de hafnio nitrurados ( HfSiON ). El HfO 2 y el HfSiO son susceptibles a la cristalización durante el recocido de activación del dopante. NEC Electronics también ha anunciado el uso de un dieléctrico HfSiON en su tecnología UltimateLowPower de 55 nm . [ 9 ] Sin embargo, incluso el HfSiON es susceptible a corrientes de fuga relacionadas con trampas, que tienden a aumentar con el estrés a lo largo de 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 se convierta en la base de facto para los futuros dieléctricos de alta constante dieléctrica (high-κ). La hoja de ruta del ITRS de 2006 predijo que la implementación de materiales de alta constante dieléctrica sería común en la industria para el año 2010. 

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Integración de procesos, dispositivos y estructuras" (PDF) . Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores: actualización de 2006. Archivado del 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 de defecto responsables de la corriente de fuga en películas ultrafinas 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 la espectroscopia de corriente estimulada térmicamente con gradiente de temperatura cero y polarización cero para la caracterización de películas aislantes ultradelgadas de 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 del 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" . Patentes de Google . Consultado el 5 de julio de 2019 .
  7. ↑ "Página de la tecnología de silicio de alta constante dieléctrica de 45 nm de Intel" . Intel.com . Consultado el 8 de noviembre de 2011 .
  8. ↑ "IEEE Spectrum: La solución de alto k" . Archivado del original el 26 de octubre de 2007. Consultado el 25 de octubre de 2007 .
  9. ↑ "Tecnología de bajo consumo | Tecnología de procesos avanzada | Tecnología | NEC Electronics" . Necel.com. Archivado del original el 19 de febrero de 2010. Consultado el 8 de noviembre de 2011 .

Lecturas adicionales

  • Artículo de revisión de Wilk et al. en la revista Journal of Applied Physics.
  • Houssa, M. (Ed.) (2003) Dieléctricos de alta constante dieléctrica Instituto de Física ISBN 0-7503-0906-7Prensa CRC en línea
  • Huff, HR, Gilmer, DC (Ed.) (2005) Materiales de alta constante dieléctrica  : aplicaciones de MOSFET VLSI Springer ISBN 3-540-21081-4
  • Demkov, AA, Navrotsky, A., (Ed.) (2005) Fundamentos de materiales de dieléctricos de puerta Springer ISBN 1-4020-3077-0
  • "Óxidos de puerta de alta constante dieléctrica para transistores de Si de óxido metálico" Robertson, J. ( Rep. Prog. Phys. 69 327-396 2006) Institute Physics Publishing doi : 10.1088/0034-4885/69/2/R02 [Óxidos de puerta de alta constante dieléctrica]
  • Cobertura mediática de los anuncios de Intel/IBM de marzo de 2007 BBC NEWS|Tecnología|Los chips superan la nanobarrera , artículo del NY Times (27/01/07)
  • Gusev, EP (Ed.) (2006) "Defectos en pilas dieléctricas de puerta de alta constante dieléctrica: dispositivos semiconductores nanoelectrónicos", Springer ISBN 1-4020-4366-X