Onderzoek onthult het potentieel van superpara-elektrische materialen als poortdiëlektrica in de volgende generatie micro-elektronica

In onze op communicatie gerichte samenleving stelt de wet van Moore hoge verwachtingen voor de toenemende snelheid van de pakkingsdichtheid van Si-gebaseerde transistors. Dit stimuleert de zoektocht naar in dikte schaalbare poortlagen met hoge diëlektrische constante (hoge k). De huidige materiaalkandidaten, van eenvoudige binaire oxiden tot complexe polaire oxiden, zijn er allemaal niet in geslaagd het probleem op te lossen “polariseerbaarheid-schaalbaarheid-isolatierobuustheid” trilemma, en draagt ​​daarmee bij aan het geheel van kwesties die de voortzetting van de wet van Moore bedreigen.

Een team van materiaalwetenschappers onder leiding van Jun Ouyang van de Qilu University of Technology in Jinan, China, heeft onlangs een oplossing voorgesteld voor dit trilemma over poortlagen, een ultradunne film van een ferro-elektrisch oxide in zijn superpara-elektrische (SPE) toestand.

Het team publiceerde hun onderzoeksartikel in Tijdschrift voor geavanceerde keramiek op 30 april 2024.

“In de SPE wordt de polaire orde ervan lokaal en verspreid in een amorfe matrix met een kristallijne grootte tot enkele nanometers, wat leidt tot een uitstekende dimensionale schaalbaarheid en een goede veldstabiliteit van de k-waarde.” zei Jun Ouyang, senior auteur van het onderzoeksartikel, professor aan de School of Chemistry and Chemical Engineering en teamleider van Advanced Energy Materials and Chemistry aan de Qilu University of Technology.

“Als voorbeeld wordt een stabiele hoge k-waarde (37 ± 3) getoond in ultradunne SPE-films van (Ba_0,95sr_0,05)(Zr_0,2Ti_0,8)O₃ (BSZT) door sputteren afgezet op LaNiO₃-gebufferde Pt/Ti/SiO₂/(100)Si tot een dikte van 4 nm bij kamertemperatuur, wat leidt tot een kleine equivalente oxidedikte (EOT) van ~0,46 nm.”

Het onderzoeksteam analyseerde de gemiddelde diameter van de nanometerpolaire clusters (NPC’s), de kenmerkgrootte voor de geordende SPE-film op korte afstand, als een functie van de filmdikte. Ze ontdekten dat de NPC-grootte van de film, die positief gecorreleerd is met de k-waarde van de film, wordt bepaald door de temperatuur van de sputterafzetting, en niet door de filmdikte.

“Deze waarnemingen suggereren dat de dominante factor voor een schaalbare k in een SPE-diëlektricum de NPC-grootte is, en niet de filmdikte die gewoonlijk wordt onderzocht. Het is zo’n kleine featuregrootte die heeft geleid tot een goede dikteschaalbaarheid van k in een ultradunne SPE-film, in tegenstelling tot een niet-schaalbare k in zijn ferro-elektrische tegenhanger,” zei Jun Ouyang.

“Bovendien hebben we door onderzoek naar de temperatuurafhankelijkheid van k (k-T-curven) de kritische NPC-grootte geschat voor de superpara-elektrische naar para-elektrische (SPE-PE) overgang in de BSZT-film, dat wil zeggen de theoretische schaalbaarheidslimiet als poort. laag. Deze limiet ligt tussen 1,3 en 1,8 nm, wat consistent is met de thermodynamische voorspelling voor het BSZT-materiaal.”

Het onderzoeksteam schetst andere unieke eigenschappen van de superpara-elektrische BSZT-films, begiftigd door hun eerder genoemde microstructuur “goed verspreide nanometer polaire clusters (NPC’s)”.

Deze eigenschappen omvatten een hoge doorslagsterkte (~10,5 MV·cm⁻¹ voor de 4 nm film), wat zorgt voor een lage lekstroom voor de werking van de complementaire metaaloxide halfgeleider (CMOS) poort. Bovendien werd door de SPE-films een hoge elektrische vermoeidheidsweerstand, dat wil zeggen lading-ontladingsstabiliteit, aangetoond. Deze resultaten onthullen een groot potentieel van superpara-elektrische materialen als poortdiëlektrica in de micro-elektronica van de volgende generatie.

Het onderzoeksteam verwacht dat dit werk de ontwikkeling van nieuwe, op superpara-elektrische gebaseerde poortlagen zal stimuleren om de EOT-waarde verder te verlagen en de wet van Moore te helpen voortzetten.