Studie enthüllt Potenzial superparaelektrischer Materialien als Gate-Dielektrika in der Mikroelektronik der nächsten Generation

In unserer kommunikationszentrierten Gesellschaft weckt das Mooresche Gesetz hohe Erwartungen hinsichtlich der zunehmenden Packungsdichte von Si-basierten Transistoren. Dies treibt die Suche nach dickenskalierbaren Gate-Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante (hoher k) voran. Aktuelle Materialkandidaten, von einfachen binären Oxiden bis hin zu komplexen polaren Oxiden, konnten das Trilemma „Polarisierbarkeit-Skalierbarkeit-Isolationsrobustheit“ nicht lösen und tragen damit zur Gesamtheit der Probleme bei, die die Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes bedrohen.

Ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Jun Ouyang von der Qilu University of Technology in Jinan, China, hat kürzlich eine Lösung für dieses Trilemma auf der Basis von Gate-Schichten vorgeschlagen, bei denen es sich um einen ultradünnen Film aus ferroelektrischem Oxid in seinem superparaelektrischen (SPE) Zustand handelt.

Das Team veröffentlichte seinen Forschungsartikel in Zeitschrift für moderne Keramik am 30. April 2024.

„Bei der SPE wird die polare Ordnung lokal und in einer amorphen Matrix mit einer Kristallgröße von bis zu einigen Nanometern dispergiert, was zu einer hervorragenden Dimensionsskalierbarkeit und einer guten Feldstabilität des k-Werts führt“, sagte Jun Ouyang, leitender Autor des Forschungsartikels, Professor an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen und Teamleiter für Fortgeschrittene Energiematerialien und Chemie an der Technischen Universität Qilu.

„Beispielsweise wird ein stabil hoher k-Wert (37±3) in ultradünnen SPE-Filmen aus (Ba0,95,Sr0,05)(Zr0,2,Ti0,8)O3 (BSZT) gezeigt, die durch Sputtern auf LaNiO3-gepuffertem Pt/Ti/SiO2/(100)Si bis zu einer Dicke von 4 nm bei Raumtemperatur abgeschieden wurden, was zu einer kleinen äquivalenten Oxiddicke (EOT) von ~0,46 nm führt.“

Das Forschungsteam analysierte den durchschnittlichen Durchmesser der Nanometer-Polarcluster (NPCs), die Strukturgröße des SPE-Films mit Nahbereichsordnung, als Funktion der Filmdicke. Sie fanden heraus, dass die NPC-Größe des Films, die positiv mit dem k-Wert des Films korreliert, von der Temperatur der Sputterabscheidung und nicht von der Filmdicke bestimmt wird.

„Diese Beobachtungen legen nahe, dass der entscheidende Faktor für ein skalierbares k in einem SPE-Dielektrikum seine NPC-Größe ist und nicht die üblicherweise untersuchte Filmdicke. Es ist diese kleine Strukturgröße, die zu einer guten Dickenskalierung von k in einem ultradünnen SPE-Film geführt hat, im Gegensatz zu einem nicht skalierbaren k in seinem ferroelektrischen Gegenstück“, sagte Jun Ouyang.

„Darüber hinaus haben wir durch Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit von k (k-T-Kurven) die kritische NPC-Größe für den Übergang von superparaelektrisch zu paraelektrisch (SPE-PE) im BSZT-Film geschätzt, d. h. seine theoretische Skalierbarkeitsgrenze als Gate-Schicht. Diese Grenze liegt zwischen 1,3 und 1,8 nm, was mit der thermodynamischen Vorhersage für das BSZT-Material übereinstimmt.“

Das Forschungsteam beschreibt weitere einzigartige Eigenschaften der superparaelektrischen BSZT-Filme, die ihnen durch ihre bereits erwähnte Mikrostruktur aus „gut dispergierten polaren Nanometerclustern (NPCs)“ verliehen werden.

Zu diesen Eigenschaften gehört eine hohe Durchschlagfestigkeit (~10,5 MV·cm−1 für den 4 nm-Film), die einen geringen Leckstrom für den Betrieb des komplementären Metalloxid-Halbleiter-Gates (CMOS) gewährleistet. Darüber hinaus zeigten die SPE-Filme eine hohe elektrische Ermüdungsbeständigkeit, d. h. Lade-/Entladestabilität. Diese Ergebnisse zeigen ein großes Potenzial superparaelektrischer Materialien als Gate-Dielektrika in der Mikroelektronik der nächsten Generation.

Das Forschungsteam erwartet, dass diese Arbeit die Entwicklung neuer Gate-Schichten auf superparaelektrischer Basis vorantreibt, um den EOT-Wert weiter zu senken und zur Fortführung des Mooreschen Gesetzes beizutragen.