En nuestra sociedad centrada en las comunicaciones, la ley de Moore establece una alta expectativa para el ritmo creciente de densidad de empaquetamiento de los transistores basados en Si. Esto impulsa la búsqueda de capas de compuerta de alta constante dieléctrica (alta k) escalables en espesor. Los materiales candidatos actuales, desde óxidos binarios simples hasta óxidos polares complejos, no han logrado resolver el trilema "polarizabilidad-escalabilidad-robustez del aislamiento", contribuyendo así a la suma total de problemas que amenazan la continuación de la ley de Moore.
Un equipo de científicos de materiales dirigido por Jun Ouyang de la Universidad Tecnológica de Qilu en Jinan, China, propuso recientemente una solución a este trilema en las capas de puerta, que es una película ultrafina de un óxido ferroeléctrico en su estado superparaeléctrico (SPE).
El equipo publicó su artículo de investigación en el Journal of Advanced Ceramics. el 30 de abril de 2024.
"En el SPE, su orden polar se vuelve local y se dispersa en una matriz amorfa con un tamaño cristalino de hasta unos pocos nanómetros, lo que conduce a una excelente escalabilidad dimensional y una buena estabilidad de campo del valor k", dijo Jun Ouyang, senior autor del artículo de investigación, profesor de la Facultad de Química e Ingeniería Química y líder del equipo de Química y Materiales Energéticos Avanzados de la Universidad Tecnológica de Qilu.
"A modo de ejemplo, se muestra un valor k alto y estable (37±3) en películas SPE ultrafinas de (Ba0,95). ,Sr0,05 )(Zr0,2 ,Ti0,8 )O3 (BSZT) depositado por pulverización catódica sobre LaNiO3 -Pt/Ti/SiO amortiguado2 /(100)Si hasta un espesor de 4 nm a temperatura ambiente, lo que genera un pequeño espesor de óxido equivalente (EOT) de ~0,46 nm."
El equipo de investigación analizó el diámetro medio de los cúmulos polares nanométricos (NPC), el tamaño característico de la película SPE ordenada de corto alcance, en función del espesor de la película. Descubrieron que el tamaño NPC de la película, que se correlaciona positivamente con el valor k de la película, está dictado por la temperatura de deposición por pulverización catódica, no por el espesor de la película.
"Estas observaciones sugieren que el factor dominante para un k escalable en un dieléctrico SPE es su tamaño NPC, no el espesor de la película que normalmente se investiga. Es un tamaño de característica tan pequeño el que ha llevado a una buena escalabilidad del espesor de k en un SPE ultrafino. película, a diferencia de una k no escalable en su contraparte ferroeléctrica", dijo Jun Ouyang.
"Además, a través de estudios de la dependencia de la temperatura de k (curvas k-T), estimamos el tamaño crítico de NPC para la transición superparaeléctrica a paraeléctrica (SPE-PE) en la película BSZT, es decir, su límite de escalabilidad teórica como un capa de puerta. Este límite está entre 1,3 y 1,8 nm, lo que es consistente con la predicción termodinámica para el material BSZT."
El equipo de investigación describe otras propiedades únicas de las películas superparaeléctricas de BSZT dotadas de su microestructura antes mencionada de "cúmulos polares nanométricos (NPC) bien dispersos".
Estas propiedades incluyen una alta resistencia a la rotura (~10,5 MV·cm −1 para la película de 4 nm), lo que garantiza una baja corriente de fuga para el funcionamiento de la puerta del semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS). Además, las películas de SPE mostraron una alta resistencia a la fatiga eléctrica, es decir, estabilidad de carga-descarga. Estos resultados revelan un gran potencial de los materiales superparaeléctricos como dieléctricos de puerta en la microelectrónica de próxima generación.
El equipo de investigación espera que este trabajo estimule el desarrollo de nuevas capas de compuerta basadas en superparaeléctricas para disminuir aún más el valor EOT y ayudar a continuar con la ley de Moore.
Más información: Kun Wang et al, Superando el límite de escalabilidad alta con una capa de puerta superparaeléctrica, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220876
Proporcionado por Tsinghua University Press
