Biossido di afnio

Il biossido di afnio è un composto chimico avente formula bruta HfO₂. Si presenta come una polvere bianca e ha caratteristiche anfotere.

Biossido di afnio
Biossido di afnio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	HfO2
Massa molecolare (u)	210,49
Aspetto	polvere bianca
Numero CAS	12055-23-1
Numero EINECS	235-013-2
PubChem	292779
SMILES	O=[Hf]=O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	9,68 g/cm3 (solido)
Solubilità in acqua	insolubile
Temperatura di fusione	2758 °C
Temperatura di ebollizione	5400 °C
Indicazioni di sicurezza
Frasi H	---
Consigli P	---

Si ottiene dai minerali di zirconio, a cui è sempre associato. È il composto più importante dell'afnio, presenta un punto di fusione di circa 2800 °C e per questo motivo viene utilizzato come componente nella preparazione di smalti estremamente refrattari e nella produzione di filamenti per lampade di tipo MH e HPS. In passato è stato impiegato come componente nella produzione di barre moderatrici per reattori nucleari.

Microelettronica

Nel tempo ha preso il posto dell'ossido di silicio come dielettrico utilizzato per realizzare il gate dei transistor MOSFET nei processi di realizzazione di circuiti integrati. Negli anni, aumentando lo scaling dei dispositivi, c'è stata necessità di scalare i valori delle costanti elettriche (correnti e tensioni) di un pari valore, per mantenere costanti i campi elettrici ed evitare che si formassero giunzioni di break-down.

La corrente di saturazione del drain, I_Dsat risulta direttamente proporzionale alla capacità dell'ossido di gate C_ox, per questo al diminuire delle dimensioni si è cercato di aumentare la capacità per non far diminuire troppo la corrente e per farlo si è diminuito lo spessore dell'ossido, t_ox il quale è inversamente proporzionale alla capacità e quindi a una sua diminuzione corrisponde un aumento della capacità dell'ossido.

$I_{D_{sat}}\varpropto C_{ox}$

$C_{ox}\varpropto (k\cdot \epsilon _{0})/t_{ox}$

$\epsilon _{0}$$=8,854\cdot 10^{-12}\,\mathrm {\frac {C^{2}}{N\cdot m^{2}}}$, è la costante dielettrica del vuoto.

Il problema è sorto quanto si è arrivati ad avere degli spessori molto sottili che inducevano una corrente di tunnel dal canale verso il gate non più trascurabili; per questo si è deciso di rimpiazzare l'ossido di silicio con un materiale che avesse una costante dielettrica maggiore, al costo di un minore bandgap (idealmente vorremmo materiali con alto bandgap e alta costante dielettrica, ma non esistono materiali del genere). La scelta è caduta proprio sul biossido di afnio, che consente di avere una costante dielettrica k pari a 25 e un bandgap di 5,8 eV (l'ossido di silicio ha una k di 3,9 e bangap 9 eV). Così facendo è possibile fare ossidi più spessi per limitare la corrente di tunnel, e comunque non diminuire la corrente di drain. Per la prima volta venne utilizzato da Intel nella tecnologia a 45 nm.

Questo composto ha diversi vantaggi oltre all'alto k, tra cui una buona stabilità chimica e in temperatura, la non reattività col silicio e una bassa densità di stati interfacciali col silicio stesso che potrebbero costituire delle trappole per i portatori di carica ed andare ad alterare la tensione di soglia del mosfet.

Questo ossido viene deposto mediante la tecnica della Atomic Layer Deposition (ALD), che è una sottoclasse della CVD con la differenza che si ha un controllo molto stringente sui reagenti. Viene fatta inserendo prima un precursore dell'afnio, solitamente cloruro di afnio ${\ce {HfCl4}}$, che si va a depositare sulla fetta di silicio, e successivamente un ossidante (acqua o ossigeno) che reagisce con il cloruro di afnio per formare il biossido di afnio, il tutto all'interno di una camera di reazione. Questa tecnica consente di controllare con grande accuratezza lo spessore del film che stiamo accrescendo e permette di avere una grande qualità del film.