隨著先進晶體管中橫向尺寸的縮放，為了保持柵電極對溝道的控制和降低工作電壓，需要增加柵電容。自2008年引入了高介電常數HfO₂以來，這仍然是迄今為止的首選材料。

近日，美國加州大學伯克利分校Sayeef Salahuddin研究團隊Suraj S. Cheema,Nirmaan Shanker等研究人員，采用混合的鐵電-反鐵電有序穩定的HfO₂–ZrO₂超晶格異質結作為柵疊層，將其直接集成到硅晶體管上，并縮小到大約20埃，與高性能晶體管所需的柵極氧化物厚度相同。該研究成果以“Ultrathin ferroic HfO₂–ZrO₂ superlattice gate stack for advanced transistors”為題發表在Nature上。

金屬氧化物半導體電容器的整體等效氧化層厚度相當于有效SiO₂厚度，約為6.5 埃。在傳統的HfO₂基高介電常數柵極疊層中，如果不清除界面SiO₂，就無法獲得如此低的有效氧化層厚度和由此產生的大電容，這對電子傳輸和柵極漏電流有不利影響。

研究表明，超薄HfO₂-ZrO₂鐵性多層膜，在2nm厚度范圍內具有鐵電性-反鐵電性的競爭性，為電子器件中超越傳統HfO₂基高介電常數材料的先進柵氧化層制備提供了一定的見解。

在硅表面上的HfO₂-ZrO₂螢石結構超晶格在約2 nm時表現出混合的鐵電-反鐵電有序。下降到這樣的厚度，并仍然可以穩定競爭的鐵性有序，這對于先進的電子器件非常重要，因為尺寸縮放需要超薄柵極疊層。

建立了原子層堆疊的關鍵作用，利用其獨特的尺寸效應和豐富的AFE–FE多晶型，控制鐵性空間和熒石結構氧化物的介電常數到達超薄極限。

圖1. 超薄HfO₂-ZrO₂負電容的原子尺度設計 ? 2022 Springer Nature

圖2. 超薄HfO₂-ZrO₂混合鐵異質結構的增強電容 ? 2022 Springer Nature

圖3. 薄混合鐵質HfO₂–ZrO₂柵極疊層的器件性能優勢 ? 2022 Springer Nature

在許多單晶鈣鈦礦結構體系中，已經發行了負電容增強鐵性超晶格的電容。這項工作表明，在硅表面上的HfO₂-ZrO₂螢石結構超晶格中也可能出現同樣的增強，這種超晶格在薄膜厚度~ 2 nm時表現出混合的鐵電-反鐵電有序，并仍然可以穩定鐵性有序，這對于先進的電子器件非常重要，因為尺寸縮放需要超薄柵極疊層。

與傳統的摻雜技術不同，這項工作建立了原子層堆疊的關鍵作用，利用其獨特的尺寸效應和豐富的AFE–FE多晶型，控制鐵性空間和熒石結構氧化物的介電常數到達超薄極限。當混合相HfO₂-ZrO₂多層膜集成在Si表面上時，柵極堆疊顯示出電容增強，將EOT降低到一個閾值以下，傳統上需要仔細清除界面SiO₂，否則會降低遷移率。

此外，低EOT是在一個數量級以上的低漏電流下實現的。因此，在原子尺度層面設計的超薄HfO₂-ZrO₂鐵性柵氧化物，為未來硅晶體管的設計提供了一個有前景的材料設計平臺，超越了傳統的高κ介質。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04425-6

DOI：10.1038/s41586-022-04425-6

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