Undersøgelse afslører potentialet for superparaelektriske materialer som gate-dielektrik i næste generations mikroelektronik

I vores kommunikationscentrerede samfund sætter Moores lov en høj forventning til den stigende hastighed af pakningstætheden af ​​Si-baserede transistorer. Dette driver søgningen efter tykkelsesskalerbare gatelag med høj dielektrisk konstant (høj k). Nuværende materialekandidater, fra simple binære oxider til komplekse polære oxider, har alle undladt at løse trilemmaet "polariserbarhed-skalerbarhed-isolering robusthed", hvilket bidrager til summen af ​​problemer, der truer fortsættelsen af ​​Moores lov.

Et team af materialeforskere ledet af Jun Ouyang fra Qilu University of Technology i Jinan, Kina, foreslog for nylig en løsning på dette trilemma om gatelag, som er en ultratynd film af et ferroelektrisk oxid i dets superparaelektriske (SPE) tilstand.

Holdet publicerede deres forskningsartikel i Journal of Advanced Ceramics den 30. april 2024.

"I SPE'en bliver dens polære orden lokal og er spredt i en amorf matrix med en krystallinsk størrelse ned til nogle få nanometer, hvilket fører til en fremragende dimensionsskalerbarhed og en god feltstabilitet af k-værdien," sagde Jun Ouyang, senior forfatter til forskningsartiklen, professor ved School of Chemistry and Chemical Engineering og teamleder for Advanced Energy Materials and Chemistry ved Qilu University of Technology.

"Som et eksempel er en stabil høj k-værdi (37±3) vist i ultratynde SPE-film på (Ba_0,95 ,Sr_0,05 )(Zr_0.2 ,Ti_0.8 )O₃ (BSZT) sputter-aflejret på LaNiO₃ -bufret Pt/Ti/ SiO₂ /(100)Si ned til en tykkelse på 4 nm ved stuetemperatur, hvilket fører til en lille ækvivalent oxidtykkelse (EOT) på ~0,46 nm."

Forskerholdet analyserede den gennemsnitlige diameter af de nanometer polære klynger (NPC'er), funktionsstørrelsen for den kortrækkende bestilte SPE-film, som en funktion af filmtykkelsen. De fandt ud af, at filmens NPC-størrelse, som er positivt korreleret med filmens k-værdi, er dikteret af temperaturen af ​​sputter-aflejringen, ikke filmtykkelsen.

"Disse observationer tyder på, at den dominerende faktor for et skalerbart k i et SPE-dielektrikum er dets NPC-størrelse, ikke den filmtykkelse, der normalt undersøges. Det er en så lille funktionsstørrelse, der har ført til en god tykkelsesskalerbarhed af k i en SPE ultratynd film, i modsætning til et ikke-skalerbart k i dets ferroelektriske modstykke," sagde Jun Ouyang.

"Desuden estimerede vi gennem undersøgelser af temperaturafhængigheden af ​​k (k-T-kurver) den kritiske NPC-størrelse for den superparaelektriske-til-paraelektriske (SPE-PE) overgang i BSZT-filmen, dvs. dens teoretiske skalerbarhedsgrænse som en gatelag Denne grænse er mellem 1,3 og 1,8 nm, hvilket er i overensstemmelse med den termodynamiske forudsigelse for BSZT-materialet."

Forskerholdet skitserer andre unikke egenskaber ved de superparaelektriske BSZT-film, der er udstyret med deres førnævnte mikrostruktur af "well-dispersed nanometer polar clusters (NPC'er)".

Disse egenskaber omfatter en høj nedbrydningsstyrke (~10,5 MV·cm ⁻¹ for 4 nm-filmen), som sikrer en lav lækstrøm til driften af ​​den komplementære metaloxid-halvleder (CMOS) gate. Desuden blev en høj elektrisk træthedsmodstand, dvs. ladnings-afladningsstabilitet, vist af SPE-filmene. Disse resultater afslører et stort potentiale af superparaelektriske materialer som gate-dielektrik i næste generations mikroelektronik.

Forskerholdet forventer, at dette arbejde vil anspore udviklingen af ​​nye superparaelektrisk-baserede gatelag for yderligere at reducere EOT-værdien og hjælpe med at fortsætte Moores lov.

Flere oplysninger: Kun Wang et al., at skubbe grænsen for høj-k skalerbarhed med et superparaelektrisk gatelag, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220876

Leveret af Tsinghua University Press