I vårt kommunikationscentrerade samhälle ställer Moores lag höga förväntningar på den ökande hastigheten för packningstätheten hos Si-baserade transistorer. Detta driver sökandet efter tjockleksskalbara grindskikt med hög dielektrisk konstant (hög k). Aktuella materialkandidater, från enkla binära oxider till komplexa polära oxider, har alla misslyckats med att lösa trilemmat "polariserbarhet-skalbarhet-isolering robusthet", och därmed bidragit till summan av frågor som hotar fortsättningen av Moores lag.
Ett team av materialforskare ledda av Jun Ouyang från Qilu University of Technology i Jinan, Kina, föreslog nyligen en lösning på detta trilemma på gate-lager, som är en ultratunn film av en ferroelektrisk oxid i dess superparaelektriska (SPE) tillstånd.
Teamet publicerade sin forskningsartikel i Journal of Advanced Ceramics den 30 april 2024.
"I SPE blir dess polära ordning lokal och är dispergerad i en amorf matris med en kristallin storlek ner till några nanometer, vilket leder till en utmärkt dimensionell skalbarhet och en bra fältstabilitet för k-värdet", säger Jun Ouyang, senior författare till forskningsartikeln, professor vid School of Chemistry and Chemical Engineering och teamledare för Advanced Energy Materials and Chemistry vid Qilu University of Technology.
"Som ett exempel visas ett stabilt högt k-värde (37±3) i ultratunna SPE-filmer på (Ba0,95 ,Sr0,05 )(Zr0.2 ,Ti0.8 )O3 (BSZT) sputter-deponerad på LaNiO3 -buffrad Pt/Ti/ SiO2 /(100)Si ner till 4 nm tjocklek vid rumstemperatur, vilket leder till en liten ekvivalent oxidtjocklek (EOT) på ~0,46 nm."
Forskargruppen analyserade medeldiametern för nanometerpolära kluster (NPC), funktionsstorleken för den kortdistansbeställda SPE-filmen, som en funktion av filmtjockleken. De fann att filmens NPC-storlek, som är positivt korrelerad med filmens k-värde, dikteras av sputter-avsättningens temperatur, inte filmtjockleken.
"Dessa observationer tyder på att den dominerande faktorn för ett skalbart k i ett SPE-dielektrikum är dess NPC-storlek, inte filmtjockleken som vanligtvis undersöks. Det är en så liten egenskapsstorlek som har lett till en bra tjockleksskalbarhet av k i en SPE ultratunn film, i motsats till ett icke-skalbart k i sin ferroelektriska motsvarighet," sa Jun Ouyang.
"Vidare, genom studier av temperaturberoendet för k (k–T-kurvor), uppskattade vi den kritiska NPC-storleken för den superparaelektriska-till-paraelektriska (SPE-PE) övergången i BSZT-filmen, det vill säga dess teoretiska skalbarhetsgräns som en grindlager Denna gräns är mellan 1,3 och 1,8 nm, vilket överensstämmer med den termodynamiska förutsägelsen för BSZT-materialet."
Forskargruppen beskriver andra unika egenskaper hos de superparaelektriska BSZT-filmerna som är utrustade med deras ovannämnda mikrostruktur av "väl dispergerade nanometer polära kluster (NPC)".
Dessa egenskaper inkluderar en hög genombrottshållfasthet (~10,5 MV·cm −1 för 4 nm-filmen), vilket säkerställer en låg läckström för driften av den komplementära metalloxidhalvledarporten (CMOS). Dessutom visades ett högt elektriskt utmattningsmotstånd, det vill säga laddnings-urladdningsstabilitet, av SPE-filmerna. Dessa resultat avslöjar en stor potential hos superparaelektriska material som grinddielektrik i nästa generations mikroelektronik.
Forskargruppen förväntar sig att detta arbete kommer att stimulera utvecklingen av nya superparaelektriskt baserade gate-lager för att ytterligare minska EOT-värdet och hjälpa till att fortsätta Moores lag.
Mer information: Kun Wang et al, Pushing the high-k skalbarhetsgräns med ett superparaelektriskt gate-lager, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220876
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
