Superredes a base de Hf/Zr de dieléctricos de puerta High-κ con ingeniería de capa de dipolo para CMOS avanzados

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales; Física de dispositivos semiconductores; Nanotecnología

Sus antecedentes:

• Los transistores lógicos avanzados requieren dieléctricos de puerta con espesor de óxido equivalente (EOT) subnanométrico, fugas suprimidas y compatibilidad con el procesamiento a alta temperatura.; Los sistemas dieléctricos de alto κ convencionales enfrentan desafíos para cumplir simultáneamente con la escala de EOT, la sintonización del voltaje de umbral múltiple (Vth) y los requisitos de alta confiabilidad del dispositivo.; El logro de estos estrictos requisitos es crucial para la escalada continua de dispositivos semiconductores más allá de la frontera de 1 nm.

Objetivo del estudio:

• Demostrar pilas de puerta a base de Hf/Zr que satisfacen los requisitos clave para transistores lógicos avanzados, incluido el EOT subnanométrico, la supresión de fugas y la compatibilidad del proceso.; Investigar el impacto de la incorporación de un dipolo de Al2O3 dentro de multicapas de Hf/Zr en la sintonización del voltaje de umbral (Vth) y el espesor de óxido equivalente (EOT).; Evaluar la confiabilidad y estabilidad del dispositivo de las novedosas pilas de dieléctricos de puerta en condiciones de estrés.

Principales métodos:

• Fabricación y caracterización de pilas de puerta de superredes a base de Hf/Zr, incluidas HZH y HZHA (con dipolo de Al2O3 incrustado).; Recocido a alta temperatura (700 °C N2) para evaluar la estabilidad térmica y el EOT.; Caracterización eléctrica para medir la corriente de fuga, el espesor de óxido equivalente (EOT), el desplazamiento del voltaje de banda plana (VFB) y la sintonización del voltaje de umbral (Vth).; Pruebas de confiabilidad utilizando estrés de temperatura de polarización negativa (NBTS) a 125 °C.

Principales resultados:

• La superred HZH logró un EOT de 7,3 Å después de un recocido de 700 °C, superando a las pilas convencionales solo de HfO2 (8,5 Å) y manteniendo una fuga comparable.; La pila HZHA demostró un EOT de 8,4 Å y un desplazamiento de VFB de >200 mV, lo que permite la sintonización de Vth múltiple sin comprometer la escala, superando a las pilas estándar de HfO2/Al2O3 (EOT de 9,0 Å).; Las pilas HZHA y HA exhibieron derivas de VFB comparables (87 mV y 97 mV, respectivamente) bajo NBTS, lo que confirma una alta confiabilidad del dispositivo junto con la sintonización de Vth y un bajo EOT.

Conclusiones:

• Las pilas de puerta a base de Hf/Zr, en particular HZHA, satisfacen cuantitativamente los requisitos críticos para transistores lógicos avanzados, incluido el EOT subnanométrico, el procesamiento compatible con RMG y la sintonización de Vth.; El estudio proporciona nuevas ideas físicas sobre el comportamiento del dipolo y la difusión interfacial en multicapas de Hf/Zr ultradelgadas, avanzando en la comprensión de la escala dieléctrica.; HZHA representa una plataforma dieléctrica prometedora para respaldar la escala lógica más allá del nodo de 1 nm, ofreciendo un camino hacia transistores de alto rendimiento de próxima generación.