Dieléctrico de alto κ
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 en los que 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 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 "high-k" (pronunciado "high-kay"), en lugar de "high-κ" (alto 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 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 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.
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
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 .
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, [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 aumento de ID, sat 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 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 sonsilicato de hafnio , silicato de circonio , dióxido de hafnio y dióxido de circonio , depositados típicamente usando deposición de capa atómica .
