Estrategia de tratamiento con plasma mejora el rendimiento de dispositivos semiconductores

Un equipo de investigación conjunto, encabezado por el profesor Byungjo Kim de la Escuela de Graduados en Materiales y Dispositivos Semiconductores de UNIST, y el profesor Jihwan An del Departamento de Ingeniería Mecánica de POSTECH, desarrolló una tecnología de fabricación que mejora el rendimiento de los dispositivos semiconductores.

Todos los dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes y laptops hasta supercomputadoras, requieren pequeños espacios de almacenamiento para conservar datos temporalmente. Los semiconductores de memoria como el DRAM desempeñan un papel crucial en esta función. Sin embargo, a medida que estos dispositivos se miniaturizan y se fabrican con películas más delgadas, problemas como las fugas eléctricas y la reducción de estabilidad emergen como desafíos significativos.

Dentro del DRAM, el capacitor, un componente diminuto, actúa como un contenedor para la carga eléctrica. Para almacenar eficazmente la carga, este contenedor debe estar revestido con una capa dieléctrica de alta calidad que pueda resistir altos campos eléctricos.

Entre los materiales candidatos, el óxido de titanio dopado con aluminio (Al-doped TiO2 o ATO) se destaca debido a su alta constante dieléctrica y excelente supresión de fugas. Sin embargo, los métodos convencionales de deposición de capa atómica (ALD) para la fabricación de ATO a menudo causan desorden en la red y vacantes de oxígeno, lo que lleva a inestabilidad del material y a un aumento de las corrientes de fuga.

Para abordar estas limitaciones, el equipo de investigación introdujo un novedoso proceso de dopado posterior con plasma (PDP). Después de depositar la capa dieléctrica de TiO2 a través de ALD y posteriormente recubrirla con una capa ultrafina de óxido de aluminio, el equipo expuso la película a un plasma compuesto de argón (Ar) y oxígeno (O2).

Este tratamiento con plasma transfirió energía a la superficie de la película, facilitando la migración atómica de los dopantes de aluminio y reorganizando la red cristalina. Al mismo tiempo, las vacantes de oxígeno, defectos que pueden causar fugas eléctricas, fueron efectivamente rellenadas. El estudio fue publicado en el International Journal of Extreme Manufacturing.

Los resultados experimentales demostraron que los capacitores de DRAM tratados con este proceso PDP exhibieron aproximadamente un 30% más de constantes dieléctricas y hasta 40 veces menos corrientes de fuga. Simulaciones adicionales revelaron que los iones energéticos de Ar en el plasma entregaron energía dirigida a la superficie dieléctrica, permitiendo que los átomos de aluminio se asienten en sus posiciones adecuadas en la red, restaurando así la cristalinidad a nivel atómico.

Este logro no solo mejora el rendimiento del dispositivo, sino que también marca un avance significativo en la comprensión de las interacciones atómicas implicadas en las interacciones plasma-material dentro de los procesos de fabricación semiconductores.

El profesor An enfatizó: "El proceso de capa atómica desarrollado en este estudio puede aplicarse ampliamente, no solo al DRAM, sino también a dispositivos electrónicos de próxima generación y sistemas de almacenamiento de energía. Esta tecnología fortalecerá la posición de Corea en la industria global de semiconductores".

El profesor Kim agregó: "Entender la interacción fundamental entre el plasma y los materiales a escala atómica es un gran avance científico. Nuestros hallazgos contribuirán a elevar la ventaja competitiva de Corea en la fabricación de semiconductores avanzados".