Forskning afmystificerer de ferroelektriske egenskaber observeret i hafniumoxid-baserede tynde film

Ferroelektriske materialer har applikationer i næste generations elektronikenheder fra optoelektroniske modulatorer og random access memory til piezoelektriske transducere og tunnelforbindelser. Nu rapporterer forskere ved Tokyo Institute of Technology indsigt i egenskaberne af epitaksiale hafniumoxid-baserede (HfO2-baserede) tynde film, bekræfter en stabil ferroelektrisk fase op til 450 °C. Som de påpeger, "Denne temperatur er tilstrækkelig høj til, at HfO2-baserede ferroelektriske materialer kan bruges i stabil drift og forarbejdning af enheden, da denne temperatur er sammenlignelig med dem for andre konventionelle ferroelektriske materialer."

Rapporter om ferroelektriske egenskaber i tynde film af substitueret hafniumoxid - hvor nogle ioner blev erstattet med andre metaller - har tiltrukket sig særlig interesse, fordi disse film allerede bruges i elektronik og er kompatible med siliciumfremstillingsteknikker, der dominerer industrien. Forsøg på at studere krystalstrukturen af ​​HfO2-baserede tynde film i detaljer for at forstå disse ferroelektriske egenskaber har imidlertid mødt udfordringer på grund af den tilfældige orientering af de polykrystallinske film.

For at opnå tynde film med en veldefineret krystalorientering, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo og kolleger ved Tokyo Institute of Technology vendte sig til en væksttilgang, der ikke var blevet prøvet med HfO2-baserede materialer før - epitaksial filmvækst. Derefter brugte de en række karakteriseringsteknikker - herunder røntgendiffraktionsanalyse og bred-areal reciprok rumkortlægning - for at identificere ændringer i krystalstrukturen, efterhånden som yttriumindholdet steg. De fandt en ændring fra en lav- til en højsymmetrifase via en interim orthorhombisk fase med stigende yttrium fra -15 % substitueret yttriumoxid.

Yderligere undersøgelser bekræftede, at denne orthorhombiske fase er ferroelektrisk og stabil ved temperaturer op til 450 °C. De konkluderer, "De nuværende resultater hjælper med at afklare arten af ​​ferroelektricitet i HfO2-baserede ferroelektriske materialer og også dens potentielle anvendelse i forskellige enheder."

Baggrund

Hafniumoxid tynde film

Den dielektriske konstant (høj-κ) af HfO2 har tidligere tiltrukket sig interesse for brug i elektronikkomponenter såsom dynamiske random-access memory (DRAM) kondensatorer og bruges allerede til high-k porte i enheder. Som et resultat er dens kompatibilitet med CMOS-behandlingen, der dominerer den nuværende elektronikfabrikation, allerede kendt.

Ferroelektriske egenskaber er blevet rapporteret i HfO2 tynde film med nogle hafniumioner substitueret med forskellige typer ioner, herunder yttrium, aluminium og lanthan, samt silicium og zirconium. Forskerne studerede HfO2-film substitueret med yttriumoxidet YO1.5, da ferroelektriske egenskaber allerede er blevet rapporteret i film af dette materiale.

Epitaksial vækst

Veldefineret krystalorientering med hensyn til substratet kan opnås i epitaksialt dyrkede film, men processen kræver normalt høje temperaturer. På grund af tendensen til at nedbrydes i ikke-ferroelektriske faser fremstilles HfO2 sædvanligvis ved krystallisation af amorfe film. Forskerne brugte pulseret laseraflejring til at fremstille epitaksialt dyrkede HfO2-baserede film uden at ødelægge den ferroelektriske fase. Filmene blev dyrket på yttria-stabiliseret zirconia og var omkring 20 nm tykke.

Krystalfaser og karakterisering

HfO2 eksisterer i en stabil lav-symmetri monoklin fase, hvor strukturen ligner et rektangulært prisme med en parallelogrambase. Denne struktur ændres til en højsymmetrisk kubisk eller tetragonal struktureret fase gennem en metastabil orthorhombisk fase.

Monoklinisk, kubiske og tetragonale krystallinske strukturer har inversion galop, hvilket udelukker ferroelektriske egenskaber. Derfor fokuserede forskerne på det ortorhombiske. Sameksistensen af ​​flere faser i HfO2 komplicerer yderligere undersøgelser af krystalstruktur, hvilket gør det endnu mere ønskeligt at opnå film med veldefinerede krystalorienteringer. Før det nuværende arbejde var det stadig uklart, om epitaksial vækst af HfO2-baserede film var mulig.

Tidligere arbejde havde brugt transmissionselektronmikroskopi og samtidig konvergent stråleelektrondiffraktion for at bekræfte eksistensen af ​​den ortorhombiske fase, men mere detaljeret analyse af den krystallinske struktur viste sig vanskelig på grund af den tilfældige polykrystallinske orientering.

Med de epitaksialt dyrkede tynde film var forskerne i stand til at bruge røntgendiffraktionsanalyse og brede reciprokke rumkortlægningsmålinger til at identificere den ortorhombiske fase. De brugte derefter aberrationskorrigeret ringformet lysfelt- og højvinklet ringformet mørkfelt-scanningstransmissionselektronmikroskopi for at bekræfte, at den ortorhombiske fase var ferroelektrisk.