12055-23-1 / 氧化鉿薄膜的特性與應用

由于晶體管器件尺寸的不斷減小，作為MOSFET中柵極氧化物，氧化硅已經漸漸不能滿足要求，2000年代中期氧化鉿作為取代物漸漸出現在研究人員視線中 [i]，該材料是一種高k介電材料，也是少數與硅能保持熱力學穩定的二元氧化物之一。因此，它可以自然地集成在邏輯元件和存儲器設備中。例如，英特爾早在2007年就已經宣布在其處理器中加入鉿基高k金屬柵極[ii]。這種新型晶體管配方承諾能降低功耗，減少漏電，并在降低尺度的同時能保證良好的性能。

2011年，氧化鉿的鐵電性[iii]被公之于眾。由于所有的塊體氧化鉿都具有中心對稱的晶體結構，因此其并不具有鐵電性。氧化鉿在室溫下是單斜晶，在2050K以上是四方晶。然而，當在機械封裝下形成薄膜期間摻雜氧化硅時，氧化鉿則形成了可能具有鐵電性的非中心對稱的正交晶相 [iv]。該鐵電相是通過機械限制抑制四方到單斜的轉變而形成。結合硅/鐵電結的結構，氧化鉿的鐵電性可能給我們器件制備帶來一些新的思路。例如，鐵電晶體管（FeFETS），有望成為超快，低功耗的非易失性存儲器，并最終可能與當前的閃存技術并駕齊驅[v，vi，vii]。

作為鐵電材料，氧化鉿薄膜的存在的一個表征難題是它的弱壓電響應。 我們知道壓電力顯微鏡（PFM）通常需利用接觸共振頻率下增強的共振信號進行測量[viii]，然而，如果接觸共振的頻率不穩定，則可能引入使壓電響應變得模糊的形貌串擾。

Asylum Research專有的雙頻共振追蹤或DART™模式可以更精確地跟蹤接觸共振移位，從而最大限度地減少形貌對測量的影響。以下是Si：HfO2薄膜的DART™-PFM的一些實例圖像，清楚地顯示了不同極化方向的壓電疇。在喚醒循環之前，樣品是在結晶后處于其初始狀態的厚度為10nm的薄膜。這些數據是在為客戶安裝調試新Cypher S系統期間獲得的。

10nm Si：HfO2薄膜的的DART振幅（左）和相位（右）圖像（掃描尺寸為1.5μm）。 橫線截面圖像顯示具有相反極化方向的壓電疇。

References

[i] Zhu, H., C. Tang, L. R. C. Fonseca, and R. Ramprasad. "Recent progress in ab initio simulations of hafnia-based gate stacks."Journal of Materials Science47, no. 21 (2012): 7399-7416.

[ii] Intel News Release: “Intel's Fundamental Advance in Transistor Design Extends Moore's Law, Computing Performance: Sixteen Eco-Friendly, Faster and 'Cooler' Chips Incorporate 45nm Hafnium-Based High-k Metal Gate Transistors”(https://www.intel.com/pressroom/archive/releases/2007/20071111comp.htm)

[iii] Böscke, T. S., J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, and U. Böttger. "Ferroelectricity in hafnium oxide thin films." Applied Physics Letters 99, no. 10 (2011): 102903.

[iv] Polakowski, Patrick, and Johannes Müller. "Ferroelectricity in undoped hafnium oxide." Applied Physics Letters 106, no. 23 (2015): 232905.

[v] NamLab (Nanoelectronic Materials Laboratory) Website: “Hafnium Oxide Based Ferroelectric Memory (https://www.namlab.de/research/reconfigurable-devices/hafnium-oxide-based-ferroelectric-memory)

[vi] Dünkel, S., M. Trentzsch, R. Richter, P. Moll, C. Fuchs, O. Gehring, M. Majer et al. "A FeFET based super-low-power ultra-fast embedded NVM technology for 22nm FDSOI and beyond." In Electron Devices Meeting (IEDM), 2017 IEEE International, pp. 19-7. IEEE, 2017.

[vii] Trentzsch, M., S. Flachowsky, R. Richter, J. Paul, B. Reimer, D. Utess, S. Jansen et al. "A 28nm HKMG super low power embedded NVM technology based on ferroelectric FETs." In Electron Devices Meeting (IEDM), 2016 IEEE International, pp. 11-5. IEEE, 2016.

[viii] Rodriguez, Brian J., Clint Callahan, Sergei V. Kalinin, and Roger Proksch. "Dual-frequency resonance-tracking atomic force microscopy." Nanotechnology 18, no. 47 (2007): 475504.

Sample courtesy of Thomas Kämpfe at the Fraunhofer Institut, Dresden, Germany.