El dióxido de silicio (sílice, SiO2) y el dióxido de hafnio (hafnia, HfO2) son, con mucho, los más dominantes en toda la electrónica basada en silicio.
Factores críticos para un óxido de puerta:
– Constante dieléctrica
– Campo de desglose
– Bandgap / desplazamiento de banda
– Defectos interfaciales
– Estabilidad química
¿Alguna vez se preguntó por qué el silicio se convirtió en el semiconductor dominante en primer lugar? Si es un semiconductor decente, pero definitivamente no es ideal. El silicio ganó porque tiene un óxido nativo, SiO2, y la interfaz Si / SiO2 es extremadamente buena. Es químicamente estable y tiene pocos defectos, mientras que el óxido en sí tiene una banda prohibida y un desplazamiento de banda excelentes en relación con el Si.
El principal inconveniente de SiO2 es su constante dieléctrica relativamente baja (3.9). Esto significa que el óxido debe hacerse extremadamente delgado para lograr una alta capacidad de compuerta. A medida que los dispositivos se reducen con la ley de Moore, el SiO2 se vuelve tan delgado que eventualmente el túnel cuántico causa una fuga sustancial a través del óxido de la puerta y hacia el canal.
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¡Aquí es donde entra HfO2! HfO2 es un dieléctrico de “alta k”, lo que significa que tiene una constante dieléctrica relativamente alta (~ 20), lo que significa que puede lograr la misma capacidad equivalente de una capa de SiO2 con una capa de HfO2 que es 5 veces más gruesa. El túnel cuántico muere exponencialmente con el grosor de la puerta, por lo que este aumento de 5x neutraliza efectivamente el problema.
Sin embargo, HfO2 tiene sus propios problemas. No es tan estable como el SiO2 y puede formar defectos móviles indeseables y experimentar transiciones de fase más fácilmente. La gente ha descubierto que el dopaje de HfO2 con una cierta cantidad de Si y N ayuda a estabilizarlo a un bajo costo para la constante dieléctrica. HfO2 es ampliamente utilizado por todos los mayores fabricantes de semiconductores en todos sus diseños modernos de transistores.
Otros contendientes para el dieléctrico de puerta de alta k tuvieron problemas con el campo de descomposición, el intervalo de banda, las compensaciones de banda, las transiciones de fase y / o los defectos de la interfaz. Por lo tanto, SiO2 es el óxido principal para los transistores grandes y HfO2 para los pequeños.