Más allá del silicio
A pesar de las numerosas aplicaciones del silicio como material para la formación de transistores, han surgido materiales semiconductores nuevos que compiten con el silicio. No es posible reducir más la escala de las tecnologías de semiconductores de óxidos metálicos complementarios (CMOS). Al mismo tiempo, los fabricantes de transistores compiten continuamente por producir dispositivos electrónicos más livianos, pequeños y eficientes. No obstante, no es posible sustituir el silicio y su óxido nativo por la falta de confianza en la fiabilidad de los dispositivos nanoelectrónicos a base de materiales cristalinos inorgánicos. Los científicos pusieron en marcha el proyecto financiado por la Unión Europea MORDRED (Modelling of the reliability and degradation of next generation nanoelectronic devices) con el objetivo principal de ayudar a los diseñadores e ingenieros en la elaboración de proyecciones exactas de la vida útil de los dispositivos. Al reducir la escala de la dimensión de los transistores a tamaños nanométricos, pueden observarse efectos mecánicos cuánticos y granularidad de los materiales del dispositivo nanoeléctrico. Para preservar su precisión y fiabilidad, los científicos de MORDRED integraron simulaciones tridimensionales basadas en física con mediciones experimentales detalladas de las propiedades de los materiales a nivel de mecánica cuántica. El objetivo fue comprender claramente los mecanismos que conducen a la degradación de los transistores CMOS y su impacto sobre el rendimiento de los circuitos integrados. Gracias al trabajo de investigación se desarrolló un marco de simulación de fiabilidad a nivel atómico y en circuitos. La dinámica de la captación y liberación se reprodujo con un motor de Monte Carlo que permite llevar a cabo simulaciones de degradación de óxidos. Las metodologías de MORDRED demostraron ser precisas y eficientes para los modelos de los campos de fuerza en interfaces de semiconductores y óxidos y metales y óxidos. Se incluyeron también modelos matemáticos de procesos de multifonones no radiantes, inestabilidades e inyecciones de portadores que afectan el desarrollo de ciertas imperfecciones en los dispositivos semiconductores. En particular, la inestabilidad térmica preferente y el ruido aleatorio telegráfico en la tecnología CMOS surgen de cargar imperfecciones (trampas). Se midieron las propiedades de estas trampas, tanto eléctricas como físicas, bajo condiciones específicas, y así los científicos de MORDRED las agruparon y compararon con las simulaciones, mejorando entonces los modelos. Resulta fundamental comprender mejor el comportamiento de la trampa de óxido por problemas de fiabilidad, como la degradación térmica del portador y la ruptura dieléctrica en función del tiempo. A partir de las medidas experimentales completas de una base de datos de referencia se adquirió conocimiento nuevo muy importante, y así fue posible correlacionar las señales medidas con las fuentes de degradación. Ya se empezó a utilizar nuevos materiales semiconductores con el fin de mejorar el rendimiento de la tecnología CMOS al tiempo que se consume menos energía. Los resultados de MORDRED permitirán garantizar que la próxima generación de dispositivos nanoeléctricos mantenga su rendimiento mejorado durante una vida útil operativa más prolongada.
Palabras clave
Silicio, fiabilidad y degradación, dispositivos nanoelectrónicos, transistores, CMOS
