La nanoelectrònica cerca el substitut de l'òxid de silici
La comunitat científica internacional investiga les possibilitats de substitució de l'òxid de silici, un dels components principals dels dispositius microelectrònics, per altres materials amb millors propietats elèctriques i compatibles amb els processos de fabricació CMOS (Semiconductor Complementari d'Oxid de Metall). El Departament d'Enginyeria Electrònica de la UAB, juntament amb el centre europeu d'investigació IMEC, ha estudiat alguns d'aquests elements utilitzant tècniques amb resolució espacial nanomètrica.
L'extraordinari progrés que la tecnologia microelectrònica ha experimentat en els darrers anys ha permès una reducció progressiva de les dimensions dels dispositius microelectrònics fins al punt que, en el cas de les capes primes de SiO2, l'aïllant per excel·lència en la tecnologia CMOS, el seu gruix s'ha situat entorn del nanòmetre. En aquest rang de dimensions però, apareixen importants corrents de fuites a través del SiO2 que comporten consums energètics massa elevats. Per resoldre aquest problema, la comunitat científica internacional està apostant per la substitució del SiO2 per un altre material amb una permitivitat més alta (high-k). Perquè això sigui possible, cal trobar un material que posseeixi unes bones propietats elèctriques, que sigui compatible amb els processos de fabricació CMOS actuals (com ara processos d'alta temperatura) i que mostri un alt grau de fiabilitat. A la UAB, en col·laboració amb IMEC, s'estan investigant aquests aspectes en diferents materials emprant tècniques amb resolució espacial nanomètrica.
En l'article publicat a Nanotechnology s'ha utilitzat un Microscopi de Forces Atòmiques amb punta conductora (C-AFM) amb la finalitat d'investigar a escala nanomètrica les propietats elèctriques del compost HAlOx (possible candidat per a substituir el SiO2) sotmès a altes temperatures. S'ha avaluat la compatibilitat CMOS a partir de l'efecte de la temperatura en la conductivitat elèctrica d'aquest dielèctric. La imatge de la figura n'és un exemple. Aquests experiments han permès observar que per a temperatures superiors a la de cristal·lització del material high-k (~900ºC), la conductivitat augmenta i es torna més inhomogènia, fet que s'ha associat a la formació de cristalls de HfO2 a la capa de HfAlOx.
D'altra banda, s'ha desenvolupat un prototipus de C-AFM amb prestacions elèctriques millorades (ECAFM) que ha permès estudiar amb més detall la fiabilitat dels dispositius amb materials high-k. Així, per exemple, en l'article publicat al IEEE Transactions on Electron Devices s'ha estudiat tant la degradació com la ruptura dielèctrica (pèrdua completa de les propietats aïllants del material) d'un dielèctric de porta format per una bicapa de HfO2/SiO2. La fenomenologia observada amb el nou prototipus ha permès determinar que, si bé la capa de HfO2 té un efecte de protecció en el dispositiu, en última instància, la fallada ve controlada per la capa interficial de SiO2.
Referències
Articles:
Blasco X, Porti M, Nafria M, Aymerich X, Petry J, Vandervorst W, Electrical characterization of high-dielectric-constant/SiO2 metal-oxide-semiconductor gate stacks by a conductive atomic force microscope, Nanotechnology 16(9), pp. 1506-1511 (2005).
Blasco X, Nafria M, Aymerich X, Petry J, Vandervorst W, Nanoscale post-breakdown conduction of HfO2/SiO2 MOS gate stacks studied by enhanced-CAFM, IEEE Trans. on electron devices, 52 (12), pp. 2817-2819 (2005).
