Coś więcej niż krzem
Powszechnie stosowany jako materiał do budowy tranzystorów krzem ma nowych konkurentów w postaci materiałów półprzewodnikowych. Możliwości miniaturyzacji technologii metal-tlenek-półprzewodnik (CMOS) osiągają swoje fundamentalne ograniczenia. Jednocześnie producenci tranzystorów prowadzą wyścig mający na celu uczynienie urządzeń elektronicznych lżejszymi, mniejszymi i bardziej wydajnymi. Zastąpienie krzemu i jego tlenku jest jednak utrudnione ze względu na brak pewności co do niezawodności urządzeń nanoelektronicznych opartych na nieorganicznych materiałach krystalicznych. Naukowcy zainicjowali projekt MORDRED (Modelling of the reliability and degradation of next generation nanoelectronic devices), finansowany ze środków UE, aby pomóc inżynierom w określaniu dokładnej żywotności urządzeń. Przy zmniejszaniu tranzystorów do wielkości nanometrowych zachowanie urządzeń nanoelektronicznych zaczyna być zdominowane przez ziarnistość materiałów oraz efekty mechaniki kwantowej. Aby zachować ich dokładność i niezawodność, naukowcy z projektu MORDRED połączyli trójwymiarowe symulacje fizyczne ze szczegółowymi pomiarami doświadczalnymi właściwości materiałów na poziomie mechaniki kwantowej. Celem było dokładne poznanie mechanizmów prowadzących do degradacji tranzystorów CMOS oraz ich wpływu na działanie układów scalonych. Prace badawcze doprowadziły do powstania systemu symulacji niezawodności, obejmującego poziom od atomów po cały układ. Dynamikę pułapkowania i uwalniania odtworzono przy pomocy aparatu Monte Carlo, pozwalającego na prowadzenie symulacji degradacji tlenków. Metodologie MORDRED umożliwiły dokładne i efektywne modelowanie sił pola na granicach półprzewodnik-tlenek i metal-tlenek. Zbadano także modele matematyczne nieradiacyjnych procesów wielofononowych, niestabilności i iniekcje ładunków wpływające na powstawanie określonych defektów w urządzeniach półprzewodnikowych. W szczególności z defektów wynika tzw. niestabilność temperatury polaryzacji i nieuporządkowany szum telegraficzny w technologii CMOS. Właściwości takich pułapek, zarówno elektryczne, jak i fizyczne, zmierzono w określonych warunkach, co pozwoliło uczonym na pogrupowanie ich i porównanie z symulacjami, a w efekcie na udoskonalenie modeli. Kluczowe jest dokładniejsze poznanie zachowania pułapki tlenkowej pod względem problemów dotyczących niezawodności, takich jak degradacja gorących nośników i zależny od czasu rozkład dielektryka. Uzyskano dużo nowych informacji w oparciu o szczegółowe pomiary eksperymentalne, zgromadzone w referencyjnej bazie danych, która pozwoliła na skorelowanie zmierzonych sygnałów ze źródłami degradacji. Nowe materiały półprzewodnikowe zaczęły już być stosowane do udoskonalenia technologii CMOS, a jednocześnie do ograniczenia poboru mocy. Dzięki projektowi MORDRED nowa generacja urządzeń nanoelektronicznych będzie mogła zachować wysoką wydajność podczas długotrwałego użytkowania.
Słowa kluczowe
Krzem, niezawodność i degradacja, urządzenia nanoelektroniczne, tranzystor, CMOS
