Un grupo de investigadores del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio ha desarrollado un nuevo método de análisis microcópico no destructivo para los dispositivos electrónicos, para observar el proceso de ruptura dieléctrica de los condensadores ferroeléctricos de la memoria no volátil que integran los dispositivos IoT.
Los materiales ferroeléctricos basados en HfO 2 tienen suficiente ferroelectricidad incluso en películas delgadas y son capaces de integración de alta densidad, por lo que están atrayendo la atención como materiales que pueden implementarse en memorias ferroeléctricas de gran capacidad. Por otra parte, los materiales ferroeléctricos basados en HfO 2 tienen el problema de una baja durabilidad porque el campo eléctrico de retención es comparable al campo eléctrico de ruptura.
Para resolver este problema, los investigadores han desarrollado un dispositivo, denominado Operando Laser-PEEM, que está equipado con un sistema de medición eléctrica para observar cambios en la densidad de defectos mientras se aplica voltaje al dispositivo. Laser-PEEM es un método para obtener una imagen microscópica irradiando un material con un láser ultravioleta y emitiendo electrones (llamados fotoelectrones) al vacío debido al efecto fotoeléctrico, que luego se magnifican y proyectan mediante un sistema óptico de electrones. Con este dispositivo se puede investigar el proceso de ruptura dieléctrica de un condensador tipo barra transversal que utiliza Hf 0,5 Zr 0,5 O 2, que es relativamente duradero entre los materiales ferroeléctricos a base de HfO 2.
Como resultado, se logró visualizar claramente la ruta de conducción eléctrica después de la ruptura dieléctrica a través del electrodo de 30 nanómetros de espesor. Además, existe un precursor de la ruptura dieléctrica en el que se produce un ligero aumento en la corriente de fuga justo antes de la ruptura dieléctrica completa, y se ha visualizado cómo la densidad de defectos aumenta en un área de aproximadamente 1/4 del condensador.
Resultados de la investigación
Tradicionalmente, se pensaba que el aumento de la corriente de fuga justo antes de la ruptura dieléctrica se debía a un aumento de los defectos en toda la película ferroeléctrica o al crecimiento de filamentos conductores locales.
Los resultados de esta investigación revelaron que, a diferencia de los modelos de proceso de ruptura dieléctrica, la densidad de defectos aumenta sólo en algunas regiones del condensador y la resistencia cambia en consecuencia. Las mediciones de la corriente de fuga mostraron signos de ruptura dieléctrica, así como un aumento en la densidad de defectos en la región superior izquierda del capacitor.
Se espera que esta investigación experimental revele un modelo de proceso de ruptura dieléctrica más preciso y acelere las mejoras en la confiabilidad de los dispositivos de memoria ferroeléctrica. Además, en este estudio, se demuestra que el Laser-PEEM puede observar de forma no destructiva cambios en la densidad de defectos.
En el futuro, se espera que Laser-PEEM se utilice ampliamente para todo, desde la investigación de dispositivos individuales hasta la inspección de circuitos integrados a gran escala cerca de productos, y se espera que contribuya a un mayor rendimiento y menores costos para los productos semiconductores.