Oltre il silicio
Nonostante la sua ubiquità come materiale per la produzione di transistor, il silicio sta affrontando la concorrenza da parte di nuovi materiali semiconduttori. Il ridimensionamento della tecnologia di semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) si avvicina ai propri limiti fondamentali. Allo stesso tempo, i produttori di transistor sono in corsa agli armamenti per rendere i dispositivi elettronici più leggeri, più piccoli e più efficienti. Tuttavia, la sostituzione del silicio e del suo ossido nativo è ostacolata dalla mancanza di fiducia nell’affidabilità dei dispositivi nanoelettronici basati sui materiali inorganici cristallini. Gli scienziati hanno avviato il progetto MORDRED (Modelling of the reliability and degradation of next generation nanoelectronic devices), finanziato dall’UE, con l’obiettivo ultimo di aiutare progettisti e ingegneri a derivare delle proiezioni precise sulla vita utile dei dispositivi. Con il restringimento delle dimensioni relative ai transistor fino a giungere ai nanometri, il comportamento dei dispositivi nanoelettronici inizia ad essere dominato dalla granularità dei materiali e dagli effetti meccanici quantistici. Al fine di preservare la loro precisione e affidabilità, gli scienziati MORDRED hanno integrato simulazioni 3D basate sulla fisica con dettagliate misure sperimentali relative alle proprietà dei materiali, a livello di meccanica quantistica. Lo scopo era quello di ottenere una solida comprensione dei meccanismi responsabili della degradazione dei transistor CMOS e del loro impatto sulle prestazioni dei circuiti integrati. Il lavoro di ricerca ha prodotto un quadro di simulazione di affidabilità che spazia dal livello atomistico alle simulazioni di circuito. Le dinamiche di intrappolamento e detrappolamento sono state riprodotte da un motore Monte Carlo, il quale permette simulazioni di degradazione dell’ossido. Le metodologie MORDRED hanno dimostrato la loro precisione ed efficienza per la modellizzazione dei campi di forza alle interfacce semiconduttore-ossido e metallo-ossido. Sono stati inoltre inclusi modelli matematici relativi a instabilità, processi con più fononi non radiativi e inserimenti forzati che interessano lo sviluppo di determinati difetti nei dispositivi a semiconduttore. In particolare, la cosiddetta instabilità della temperatura di polarizzazione e il rumore telegrafico casuale nella tecnologia CMOS derivano dal caricamento elettrico dei difetti (trappole). Le proprietà delle cosiddette trappole, sia elettriche che fisiche, sono state misurate in condizioni specifiche, permettendo agli scienziati MORDRED di dividerle in gruppi ed eseguire un confronto con le simulazioni, al fine di migliorare i modelli. Una migliore comprensione del comportamento della trappola relativa agli ossidi è cruciale per i problemi di affidabilità, come per esempio la degradazione da portatore caldo e la tensione di innesco dipendente dal tempo. Sostanziali novità sono state acquisite grazie alle complete misure sperimentali raccolte in un database di riferimento, il quale consente di correlare i segnali misurati con le fonti di degradazione. I nuovi materiali semiconduttori hanno già iniziato a essere utilizzati per migliorare le prestazioni della tecnologia CMOS, riducendo il consumo di potenza. I risultati del progetto MORDRED contribuiranno ad assicurare che i futuri dispositivi nanoelettronici mantengano le loro ottime prestazioni nel corso di una vita utile più estesa.
Parole chiave
Silicio, affidabilità e degradazione, dispositivi nanoelettronici, transistor, CMOS
