Diélectrique high-k

Un diélectrique high-κ (high-κ dielctric) est un matériau avec une constante diélectrique κ élevée (comparée à celle du dioxyde de silicium) utilisé dans la fabrication de composés à semiconducteur en remplacement de la grille habituellement en dioxyde de silicium. L'utilisation de ce type de matériau constitue l'une des stratégies de développement permettant le miniaturisation des composés en microélectronique, afin de permettre de continuer à suivre la Loi de Moore.

Besoin de matériau high-κ

Le dioxyde de silicium est utilisé dans le cadre des transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET) comme oxyde de grille depuis des décennies, de par sa constante diélectrique relativement élevée (bon isolant) et par la facilité de production (par simple oxydation d'une couche superficielle du silicium, matériau constituant le structure de base du transistor). Afin de miniaturiser toujours plus les composés électroniques et d'accroître par la même leurs performances, les dimensions des transistors ont aussi été réduites, et de même, l'épaisseur de la grille en dioxyde de silicium a été réduite, ce qui augmente en même temps sa capacité électrique. Or, en dessous d'une épaisseur de 2 nm, les courants de fuite par effet tunnel augmentent drastiquement, augmentant la consommation en énergie du composé et en réduisant sa fiabilité. L'idée est alors de remplacer le dioxyde de silicium de la grille par une diélectrique avec un constante diélectrique κ plus élevée, un matériau high-κ, permettant d'augmenter la capacité de la grille sans les effets de fuite.

Matériaux et procédés

Remplacer le dioxyde de silicium par un autre matériau ajoute de la complexité au procédé de fabrication du composé. En effet, le dioxyde de silicium peut être facilement formé par oxydation thermique de la couche inférieure de silicium, créant une couche d'oxyde uniforme avec une interface de haute qualité. Ainsi, les efforts de développement se sont portés sur la recherche d' un matériau avec une constante diélectrique élevée pouvant s'intégrer facilement dans le procédé de fabrication. D'autres points-clé sont l'alignement de la bande sur celle du silicium, la morphologie du film, sa stabilité thermique, la conservation d'une haute mobilité des porteurs dans le canal, et la minimisation des défauts électriques à l'interface. Les matériau ayant retenu l'attention des chercheurs sont le siliciure d'hafnium, le siliciure de zirconium, le dioxyde d'hafnium et le dioxyde de zirconium déposés en général par Atomic Layer Deposition.

Voir aussi

• diélectrique low-k
• Silicium-germanium
• Silicium sur isolant

Notes et références

Bibliographie

• (en) Review article by Wilk et al. in the Journal of Applied Physics
• (en)Houssa, M. (Ed.) (2003) High-k Dielectrics Institute of Physics ISBN 0-7503-0906-7 CRC Press Online
• (en)Huff, H.R., Gilmer, D.C. (Ed.) (2005) High Dielectric Constant Materials : VLSI MOSFET applications Springer ISBN 3-540-21081-4
• (en)Demkov, A.A, Navrotsky, A., (Ed.) (2005) Materials Fundamentals of Gate Dielectrics Springer ISBN 1-4020-3077-0
• (en)"High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors" Robertson, J. (Rep. Prog. Phys. 69 327-396 2006) Institute Physics Publishing High dielectric constant gate oxides
• (en)Media coverage of March, 2007 Intel/IBM announcements BBC NEWS|Technology|Chips push through nano-barrier, NY Times Article (1/27/07)
• Gusev, E. P. (Ed.) (2006) "Defects in High-k Gate Dielectric Stacks: Nano-Electronic Semiconductor Devices", Springer ISBN 1-402-04366X

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