El papel del óxido de hafnio dopado con silicio en la mejora de la tecnología de transistores

El papel del óxido de hafnio dopado con silicio en la mejora de la tecnología de transistores

La reducción sostenida del tamaño del transistor se debe, en parte, a la sustitución del óxido de silicio por óxido de hafnio como óxido de puerta en los MOSFETS a mediados de la década de 2000.1

Óxido de hafnio (HfO2) sirve como material dieléctrico de alta k y es uno de los pocos óxidos binarios que permanece termodinámicamente estable con el silicio. Por tanto, puede integrarse de forma natural en dispositivos de memoria y lógicos. Por ejemplo, en 2007, Intel anunció la inclusión de puertas metálicas con alto contenido de hafnio en sus procesadores.2

Este innovador diseño de transistor tenía como objetivo reducir el consumo de energía y minimizar las fugas de electricidad, al tiempo que proporcionaba un rendimiento mejorado mediante la reducción de escala.

En 2011, se describió una técnica para producir películas delgadas de óxido de hafnio ferroeléctrico.3 Todas las fases masivas del óxido de hafnio poseen estructuras cristalinas centrosimétricas y, por lo tanto, no exhiben ferroelectricidad.

Sin embargo, cuando una fina película de óxido de hafnio se dopa con óxido de silicio y se cristaliza mediante encapsulación mecánica (llamada “capping”), genera fases cristalinas no centrosimétricas, por lo que se estima que son ferroeléctricas.4

Esta fase ferroeléctrica es ortorrómbica, resultado del confinamiento mecánico, impidiendo la transformación tetragonal a monoclínica que de otro modo tendría lugar. Las películas ferroeléctricas de óxido de hafnio crean oportunidades para dispositivos intrigantes que explotan las uniones silicio/ferroeléctricas.

Los transistores ferroeléctricos (FeFETS) muestran potencial como sistemas de memoria no volátiles, ultrarrápidos y de bajo consumo, convirtiéndose quizás en un competidor de la tecnología flash actual.5-7

Un problema al evaluar películas delgadas de óxido de hafnio es su respuesta piezoeléctrica particularmente débil, característica de los materiales ferroeléctricos. La microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) a menudo se realiza en la frecuencia de resonancia de contacto para aprovechar la mejora de la resonancia de la señal.8

Sin embargo, la frecuencia de resonancia de contacto cambia a medida que la punta escanea varias características topográficas, introduciendo artefactos de diafonía que pueden oscurecer la respuesta piezoeléctrica.

El modo DART™ (seguimiento de resonancia de amplitud dual) exclusivo de Asylum Research monitorea los cambios en la resonancia de contacto, reduciendo el impacto de la topografía en la medición. Las Figuras 1 y 2 muestran imágenes DART PFM de películas delgadas de óxido de hafnio dopadas con silicio, que muestran claramente dominios piezoeléctricos polares.

La muestra es una película delgada de 10 nm en su estado inicial después de la cristalización, antes del ciclo de activación. Los datos se obtuvieron de muestras de clientes utilizando un AFM Asylum Research Cypher S.

Muestra cortesía de Thomas Kämpfe del Instituto Fraunhofer, Dresde, Alemania

Datos de amplitud (izquierda) y fase (derecha) de DART PFM superpuestos en una representación 3D de la topografía de la superficie de una película delgada de Si:HfO2 de 10 nm (tamaño de escaneo de 3 µm).  La imagen de fase muestra claramente diferentes dominios polares.

Cifra 1. Datos de amplitud (izquierda) y fase (derecha) de DART PFM superpuestos en una representación 3D de la topografía de la superficie de un Si:HfO de 10 nm2 película delgada (tamaño de escaneo de 3 µm). La imagen de fase muestra claramente diferentes dominios polares. Crédito de la imagen: Asylum Research: una empresa de Oxford Instruments.

Imágenes DART PFM de amplitud (arriba) y fase (abajo) de la misma película delgada de Si:HfO2.  El tamaño de escaneo más pequeño de 1,5 µm simplifica la medición de áreas individuales.  Aquí, las secciones transversales se midieron a lo largo de las líneas indicadas, lo que indica que los dominios tienen dimensiones características del orden de 100 nm y que los dominios son polos opuestos (~180°) a la fase circundante.

Imágenes DART PFM de amplitud (arriba) y fase (abajo) de la misma película delgada de Si:HfO2.  El tamaño de escaneo más pequeño de 1,5 µm simplifica la medición de áreas individuales.  Aquí, las secciones transversales se midieron a lo largo de las líneas indicadas, lo que indica que los dominios tienen dimensiones características del orden de 100 nm y que los dominios son polos opuestos (~180°) a la fase circundante.

Figura 2. Imágenes DART PFM de amplitud (arriba) y fase (abajo) del mismo Si:HfO2 capa delgada. El tamaño de escaneo más pequeño de 1,5 μm simplifica la medición de áreas individuales. Aquí, las secciones transversales se midieron a lo largo de las líneas indicadas, lo que indica que los dominios tienen dimensiones características del orden de 100 nm y que los dominios son polos opuestos (~180°) a la fase circundante. Crédito de la imagen: Asylum Research: una empresa de Oxford Instruments.

Referencias y lecturas adicionales

  1. Zhu, H., C. Tang, LRC Fonseca y R. Ramprasad. “Avances recientes en simulaciones ab initio de pilas de puertas basadas en Hafnia”. Revista de Ciencia de Materiales 47, no. 21 (2012): 7399-7416.
  2. Comunicado de prensa de Intel: “El avance fundamental de Intel en el diseño de transistores amplía la ley de Moore y el rendimiento informático: dieciséis chips más ecológicos, más rápidos y ‘más fríos’ incorporan transistores de puerta metálica de alta K de hafnio de 45 nm » https://www.Intel.com/newsroom/ archivo/lanzamientos/2007/20071111comp. htm
  3. Böscke, TS, J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder y U. Böttger. “Ferroelectricidad en películas delgadas de óxido de hafnio”. Cartas de Física Aplicada 99, No. 10 (2011): 102903.
  4. Polakowski, Patrick y Johannes Müller. “Ferroelectricidad en óxido de hafnio sin dopar”. Letras de Física Aplicada 106, no. 23 (2015): 232905.
  5. Sitio web de NamLab (Laboratorio de Materiales Nanoelectrónicos): “Memoria ferroeléctrica basada en óxido de hafnio” http://www. namlab.de/research/reconfigurable-devices/hafnium-oxide-based-ferroelectric-memory
  6. Dünkel, S., M. Trentzsch, R. Richter, P. Moll, C. Fuchs, O. Gehring, M. Majer et al. “Tecnología NVM integrada ultrarrápida y de consumo ultrabajo basada en FeFET para FDSOI de 22 nm y más”. En Reunión de dispositivos electrónicos (IEDM), 2017 IEEE International, págs. IEEE, 2017.
  7. Trentzsch, M., S. Flachowsky, R. Richter, J. Paul, B. Reimer, D. Utess, S. Jansen et al. “Una tecnología NVM integrada HKMG de 28 nm de potencia ultrabaja basada en FET ferroeléctricos”. En Reunión de dispositivos electrónicos (IEDM), 2016 IEEE International, págs. IEEE, 2016.
  8. Rodríguez, Brian J., Clint Callahan, Sergei V. Kalinin y Roger Proksch. “Microscopía de fuerza atómica de seguimiento de resonancia de doble frecuencia”. Nanotecnología 18, núm. 47 (2007): 475504.

Esta información ha sido obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por Asylum Research – An Oxford Instruments Company.

Para obtener más información sobre esta fuente, visite Asylum Research: una empresa de Oxford Instruments.

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