CAFM Nanoscale electrical properties and reliability of HfOz based gate dielectrics in electron devices: Impact of the polycrystallization and resistive switching

• Autores: Vanessa Iglesias Santiso
• Directores de la Tesis: Marc Porti i Pujal (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2012
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Lluís F. Marsal Garví (presid.), Enrique Miranda (secret.), Felice Crupi (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  DDD  TESEO 
• Resumen

  • La evolución de los dispositivos MOS ha conllevado una reducción de tamaño de los mismos con el fin de mejorar sus prestaciones. Sin embargo, este continuo escalado se ha topado con un límite físico: la delgada capa aislante de SiO2 (entre otros), que fuerza la búsqueda de nuevas alternativas que permitan abastecer al exigente mercado tecnológico. En las dimensiones en las que actualmente se trabaja, del orden de nanómetros, los fenómenos cuánticos adquieren gran importancia siendo, entre otros, las corrientes de fuga uno de los principales escollos con los que se ha de lidiar. Estas corrientes provocan un aumento del consumo de potencia y disminución de la fiabilidad del dispositivo. Entre las alternativas que se perfilan como posibles opciones para reducir estas corrientes de fuga, la sustitución del hasta ahora principal aislante de la electrónica, el SiO2, por un material con una mayor constante dieléctrica, high-k (HK), ocupa una posición aventajada. Estos nuevos materiales HK permitirían mantener la misma capacidad del óxido que se obtendría usando un determinado grosor de SiO2 pero, utilizando un grosor físico mayor, reduciendo de esta manera las corrientes de fuga a través de la puerta del MOSFET. Aunque es una idea ampliamente aceptada no por ello es una tarea sencilla, ya que la introducción de estos nuevos materiales no está exenta de problemas que puedan influir en la fiabilidad del dispositivo. Por ejemplo, la morfología de los high-k y su impacto en las propiedades eléctricas del stack son factores importantes que deben ser considerados ya que pueden influir en el correcto funcionamiento del dispositivo. Los materiales bajo estudio son varios y diversos, pero gran parte de la comunidad científica apunta hacia el HfO2, o aleaciones relacionadas, y el Al2O3, como sustitutos del SiO2. Esta tesis, enmarcada en el campo de la microelectrónica, y concretamente en el estudio de la fiabilidad y caracterización eléctrica de los dispositivos MOS (Metal Óxido Semiconductor) de última generación, basados en HfO2, se centra principalmente en la evaluación, a escala nanométrica, de las propiedades morfológicas y eléctricas de dispositivos MOS fabricados con dieléctricos high-k (en concreto el HfO2). Particularmente, se analiza la influencia de la cristalización de la capa de HfO2, característica que adquiere tras haber sido sometida a un proceso de annealing durante el proceso de fabricación, en las propiedades eléctricas de la misma. Dicha cristalización puede alterar las propiedades morfológicas del material, lo que a su vez, puede repercutir en su homogeneidad eléctrica y su fiabilidad. También se ha llevado a cabo el estudio a escala nanométrica del fenómeno Resistive Switching, principal principio de operación de las memorias resistivas de acceso aleatorio (ReRAM). La evaluación del impacto de la cristalización, a escala nanométrica, se ha llevado a cabo mediante el uso de técnicas y herramientas de caracterización con resoluciones nanométricas como el AFM (Atomic Force Microscope) y técnicas relacionadas como el C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope) o el Kelvin Probe Force Microscope (KPFM).