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Nuovi materiali per i transistor di nuova generazione

Con gli attuali transistor a base di silicio, che raggiungono i 14 nm, l’industria dei semiconduttori è attualmente alla ricerca di nuovi materiali in grado di estendere la legge di Moore a scale più piccole. Un progetto finanziato dall’UE ha fornito un’ulteriore comprensione dei punti di forza e dei limiti di utilizzo relativi ai semiconduttori III-V per la futura tecnologia con semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS).
Nuovi materiali per i transistor di nuova generazione
Negli ultimi due decenni, le dimensioni dei transistor con silicio hanno sostenuto la rivoluzione elettronica, con transistor che raggiungono dimensioni di nanometri. Tuttavia, poiché i CMOS continuano a essere ridimensionati oltre un certo limite, sembra che i problemi di affidabilità siano in crescita. Per andare oltre i limiti del silicio, sono necessari nuovi materiali canale con alte velocità di trasporto degli elettroni.

Con una mobilità degli elettroni di gran lunga superiore rispetto al silicio, i materiali semiconduttori III-V possono essere inseriti in transistor più piccoli e veloci. Nell’ambito del progetto CONAT (Conduction mechanisms in advanced MOS technologies), gli scienziati hanno migliorato significativamente la comprensione dei meccanismi di conduzione e di degrado delle nuove strutture nei transistor, basandosi sull’utilizzo dell’arseniuro di gallio e indio (InGaAs) come substrato. Difetti e altri problemi di affidabilità hanno finora impedito a questo semiconduttore composito di passare ai prodotti di consumo.

L’attenzione è stata posta sulle strutture dei transistor, con uno strato isolante di ossido che ricopre l’InGaAs, e uno strato superiore composto dal gate in metallo. Gli scienziati hanno selezionato un materiale con grande costante dielettrica per sostituire il gate prodotto con comune biossido di silicio.

I risultati del progetto hanno dimostrato che i difetti legati al substrato di InGaAs svolgono un ruolo chiave nelle caratteristiche di degrado della struttura relativa al transistor. Inoltre, gli scienziati hanno concluso che i miglioramenti dell’interfaccia con alta costante dielettrica/InGaAs non necessariamente aumentano l’affidabilità della struttura MOS.

Un altro settore chiave dello studio è dato dalla decomposizione dell’ossido del gate, per la quale il team CONAT ha sviluppato modelli fisici per simulare correttamente tale meccanismo di guasto nelle strutture di transistor ad alta costante dielettrica/con semiconduttori III-V. Il team è riuscito a controllare il tasso di decomposizione di svariati dielettrici gate, scegliendo una corretta combinazione di conducibilità termica, tensione e spessore. Tali sforzi hanno mirato a migliorare significativamente l’affidabilità dei circuiti CMOS.

Attraverso una tecnica spettroscopica, gli scienziati hanno studiato le caratteristiche di post-rottura relative a strutture MOS composte da differenti interfacce ossido-semiconduttore. Le differenze osservate nelle microstrutture dell’interfaccia ossido di alluminio-InGaAs e biossido di silicio-silicio, sottoposte a tensioni positive e negative, sono state sufficientemente spiegate.

I risultati del progetto e le scoperte stanno guidando a una migliore comprensione dei meccanismi di degradazione della tecnologia CMOS III-V per continuare a soddisfare la domanda in aumento riguardo alle prestazioni dei transistor.

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Keywords

Transistor, silicio, semiconduttori III-V, CMOS, mobilità degli elettroni, arseniuro di gallio e indio