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    Degradación de estructuras MOS (metal-óxido-semiconductor) y sus aplicaciones.
    (Escuela de Posgrado - UTN FRBA, 2021-08-30) Aguirre, Fernando Leonel; Palumbo, Félix Roberto Mario; Julián, Pedro
    Históricamente la mejora de rendimiento de los circuitos microelectrónicos ha ido asociada a un aumento en la cantidad de transistores por unidad de área. Esto ha sido posible debido a una reducción sostenida en el tamaño y costo de cada dispositivo. Sin embargo, el ritmo de miniaturización se ha ralentizado sensiblemente en los últimos años, por limitaciones tanto económicas como tecnológicas, con lo que la industria nano-electrónica se ha visto forzada a buscar alternativas considerando nuevos materiales así como también el cambio de los paradigmas computacionales. En ambos casos, la confiabilidad es un apartado clave en el desarrollo de las tecnologías de integración venideras. Pero así como la introducción de materiales novedosos siembra interrogantes a responder en el ámbito de la fiabilidad, también da lugar a nuevas aplicaciones y al surgimiento de tecnologías disruptivas. En esta tesis, se discuten los principales fenómenos de degradación observados en estructuras MOS (Metal-Óxido-Semiconductor) implementadas con materiales alternativos, así como las oportunidades que estas brindan para la aparición de alternativas superadoras frente a la microelectrónica convencional. Para ello, se plantea en primera instancia el estudio de la degradación y ruptura en estructuras basadas en semiconductores de alta movilidad y óxidos delgados no nativos como reemplazo de la combinación silicio-di ´oxido de silicio (Si/SiO2). En segundo lugar, el fenómeno de ruptura dieléctrica reversible en aislantes de alta constante dieléctrica ha dado lugar a su aplicación como dispositivo de memoria y sinapsis artificial en circuitos neuromórficos, los cuales son un cambio disruptivo respecto a los actuales sistemas de cómputo y tienen múltiples aplicaciones en el paradigma del Internet del Todo (Internet of Everything, IoE), el reconocimiento de patrones y la inteligencia artificial, solo por citar algunos ejemplos. Con respecto al estudio de la confiabilidad a nivel de los dispositivos nanoelectrónicos, se analiza el origen e impacto de los defectos del óxido en la dinámica de degradación de estructuras MOS sobre sustratos de alta movilidad, llamados a ser el reemplazo de la tecnología Si/SiO2. Se abordan los efectos del proceso de fabricación sobre la distribución de defectos y el atrapamiento de carga, reportando las diferencias entre los principales candidatos. A su vez, se estudia la mecánica de generación de defectos en óxidos delgados de alta constante dieléctrica, como origen de la ruptura dieléctrica. Se reporta la influencia de las propiedades intrínsecas de óxidos de alta constante dieléctrica en la estadística de ruptura de dispositivos MOS, así como de la densidad de defectos. Para ello, se han llevado adelante complejos experimentos de irradiación altamente localizada a fin de alterar artificialmente la concentración de defectos. Como resultado, se reporta evidencia experimental que deja entrever la naturaleza correlacionada de la generación de defectos en materiales de alta constante dieléctrica, ayudando a comprender mejor el fenómeno de ruptura. Si bien la ruptura dieléctrica representa un desafío de confiabilidad, el mecanismo físico subyacente es al mismo tiempo responsable de posibilitar el funcionamiento de las memorias de conmutación resistiva, de gran utilidad en aplicaciones de almacenamiento de información y circuitos neuromórficos. En este trabajo de tesis, se discuten los aspectos temporales del evento de conmutación tanto en memorias no volátiles como volátiles, utilizando aislantes de alta constante dieléctrica así como nitruro de boro hexagonal (h-BN), un aislante de dos dimensiones (2D) que representa una alternativa con considerable potencial tecnológico. Se contribuye con una interpretación para la velocidad de la conmutación centrada en el papel de la temperatura y las características intrínsecas y geométricas del medio de conmutación. Justamente la aplicación de memorias de conmutación resistiva en circuitos neuromórficos es el foco de estudio en la segunda parte de esta tesis. Los mismos son de gran interés dada su capacidad para procesar grandes volúmenes de información con baja latencia y bajo consumo de energía, sin mencionar la gran densidad de dispositivos integrables por unidad de área. Sin embargo, las múltiples no-dealidades que dominan el funcionamiento de estos dispositivos suponen un problema para su desarrollo futuro. En este contexto, se presenta la relación entre confiabilidad y rendimiento en redes neuronales implementadas en hardware mediante crossbars de memorias de conmutación resistiva y destinadas al reconocimiento de patrones. Para ello se propone un flujo integral que contempla el modelado eléctrico de la física de conmutación resistiva, el entrenamiento de redes neuronales para la clasificación de imágenes, su representación a nivel circuital y simulación eléctrica contemplando la posible existencia de fallas de enclavamiento distribuidas aleatoriamente. En relación al último punto, se plantean también métodos para mitigar las consecuencias de las mismas. Puntualmente, se reportan resultados considerando perceptrones mono y multi capa, destacándose el impacto de la resistencia parásita de las interconexiones, las características eléctricas de las dispositivos de conmutación resistiva y el impacto de las mencionadas fallas de enclavamiento.