Nature∣用于先进晶体管的超薄铁电材料HfO2-ZrO2超晶格栅层

一、【导读】

随着先进晶体管中横向尺寸的缩放，为了保持栅电极对沟道的控制和降低工作电压，需要增加栅电容。自2008年引入了高介电常数HfO₂以来，这仍然是迄今为止的首选材料。

近日，美国加州大学伯克利分校Sayeef Salahuddin研究团队Suraj S. Cheema,Nirmaan Shanker等研究人员，采用混合的铁电-反铁电有序稳定的HfO₂–ZrO₂超晶格异质结作为栅叠层，将其直接集成到硅晶体管上，并缩小到大约20埃，与高性能晶体管所需的栅极氧化物厚度相同。该研究成果以“Ultrathin ferroic HfO₂–ZrO₂ superlattice gate stack for advanced transistors”为题发表在Nature上。

二、【成果掠影】

金属氧化物半导体电容器的整体等效氧化层厚度相当于有效SiO₂厚度，约为6.5 埃。在传统的HfO₂基高介电常数栅极叠层中，如果不清除界面SiO₂，就无法获得如此低的有效氧化层厚度和由此产生的大电容，这对电子传输和栅极漏电流有不利影响。

研究表明，超薄HfO₂-ZrO₂铁性多层膜，在2nm厚度范围内具有铁电性-反铁电性的竞争性，为电子器件中超越传统HfO₂基高介电常数材料的先进栅氧化层制备提供了一定的见解。

三、【核心创新点】

1. 在硅表面上的HfO₂-ZrO₂萤石结构超晶格在约2 nm时表现出混合的铁电-反铁电有序。下降到这样的厚度，并仍然可以稳定竞争的铁性有序，这对于先进的电子器件非常重要，因为尺寸缩放需要超薄栅极叠层。
2. 建立了原子层堆叠的关键作用，利用其独特的尺寸效应和丰富的AFE–FE多晶型，控制铁性空间和荧石结构氧化物的介电常数到达超薄极限。

四、【数据概览】

图1. 超薄HfO₂-ZrO₂负电容的原子尺度设计 © 2022 Springer Nature

图2. 超薄HfO₂-ZrO₂混合铁异质结构的增强电容 © 2022 Springer Nature

图3. 薄混合铁质HfO₂–ZrO₂栅极叠层的器件性能优势 © 2022 Springer Nature

五、成果启示

在许多单晶钙钛矿结构体系中，已经发行了负电容增强铁性超晶格的电容。这项工作表明，在硅表面上的HfO₂-ZrO₂萤石结构超晶格中也可能出现同样的增强，这种超晶格在薄膜厚度~ 2 nm时表现出混合的铁电-反铁电有序，并仍然可以稳定铁性有序，这对于先进的电子器件非常重要，因为尺寸缩放需要超薄栅极叠层。

与传统的掺杂技术不同，这项工作建立了原子层堆叠的关键作用，利用其独特的尺寸效应和丰富的AFE–FE多晶型，控制铁性空间和荧石结构氧化物的介电常数到达超薄极限。当混合相HfO₂-ZrO₂多层膜集成在Si表面上时，栅极堆叠显示出电容增强，将EOT降低到一个阈值以下，传统上需要仔细清除界面SiO₂，否则会降低迁移率。

此外，低EOT是在一个数量级以上的低漏电流下实现的。因此，在原子尺度层面设计的超薄HfO₂-ZrO₂铁性栅氧化物，为未来硅晶体管的设计提供了一个有前景的材料设计平台，超越了传统的高κ介质。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04425-6

DOI：10.1038/s41586-022-04425-6

本文由try123供稿。