Nowe materiały do produkcji tranzystorów nowej generacji
W ciągu ostatnich dwudziestu lat miniaturyzacja tranzystorów krzemowych napędzała rewolucję w elektronice, a tranzystory osiągnęły rozmiary nanometrowe. Wydaje się jednak, że po przekroczeniu pewnego punktu miniaturyzacji CMOS zaczynają pojawiać się problemy z niezawodnością. Aby pokonać ograniczenia krzemu, potrzebne są nowe materiały do budowy kanałów, odznaczające się wysoką prędkością nośników ładunku. Dzięki dużo większej ruchliwości elektronów niż w przypadku krzemu materiały półprzewodnikowe z grupy III-V mogą posłużyć do budowy mniejszych i szybszych tranzystorów. W ramach projektu CONAT (Conduction mechanisms in advanced MOS technologies) naukowcy zbadali mechanizmy przewodzenia i rozkładu nowych struktur tranzystorowych, wykorzystujących arsenek galowo-indowy (InGaAs) jako podłoże. Wcześniej zastosowanie tego półprzewodnika w komercyjnych produktach utrudniały defekty i inne problemy z niezawodnością. Prace koncentrowały się na strukturach tranzystorowych wykonanych z izolacyjnej warstwy tlenkowej, znajdującej na InGaAs, przy czym warstwa wierzchnia jest bramką metalową. Naukowcy wybrali dielektryk o wysokiej stałej dielektrycznej, aby zastąpić dwutlenek krzemu, powszechnie stosowany jako materiał do budowy bramek. Rezultaty projektu dowodzą, że defekty związane z podłożem InGaAs odgrywają kluczową rolę w charakterystyce degradacji struktury tranzystora. Ponadto naukowcy ustalili, że poprawianie granicy między dielektrykiem i InGaAs niekoniecznie zwiększa niezawodność struktury MOS. Innym kluczowym obszarem badań był rozkład tlenku w bramce, na potrzeby którego zespół CONAT opracował modele fizyczne, umożliwiające skuteczne symulowanie tego mechanizmu uszkodzenia w strukturach tranzystorowych z dielektrykami i półprzewodnikami z grupy III-V. Badaczom udało się skontrolować tempo rozpadu szeregu dielektryków bramkowych po wybraniu odpowiedniej kombinacji wartości napięcia, grubości i przewodności cieplnej. Prace te miały na celu znaczącą poprawę niezawodności obwodów CMOS. Przy pomocy techniki spektroskopowej naukowcy zbadali cechy struktur MOS po rozpadzie, składających się z różnych połączeń tlenek-półprzewodnik. Wyjaśniono różnice zaobserwowane w mikrostrukturach połączenia tlenek aluminium-InGaAs oraz dwutlenek krzemu-krzem przy napięciu dodatnim i ujemnym. Ustalenia uczestników projektu pomagają lepiej zrozumieć mechanizmy degradacji i rozpadu w technologii CMOS III-V, dzięki czemu możliwe będzie zwiększenie wydajności tranzystorów.