氧化铪薄膜的特性与应用

由于晶体管器件尺寸的不断减小，作为MOSFET中栅极氧化物，氧化硅已经渐渐不能满足要求，2000年代中期氧化铪作为取代物渐渐出现在研究人员视线中 [i]，该材料是一种高k介电材料，也是少数与硅能保持热力学稳定的二元氧化物之一。因此，它可以自然地集成在逻辑元件和存储器设备中。例如，英特尔早在2007年就已经宣布在其处理器中加入铪基高k金属栅极[ii]。这种新型晶体管配方承诺能降低功耗，减少漏电，并在降低尺度的同时能保证良好的性能。

2011年，氧化铪的铁电性[iii]被公之于众。由于所有的块体氧化铪都具有中心对称的晶体结构，因此其并不具有铁电性。氧化铪在室温下是单斜晶，在2050K以上是四方晶。然而，当在机械封装下形成薄膜期间掺杂氧化硅时，氧化铪则形成了可能具有铁电性的非中心对称的正交晶相 [iv]。该铁电相是通过机械限制抑制四方到单斜的转变而形成。结合硅/铁电结的结构，氧化铪的铁电性可能给我们器件制备带来一些新的思路。例如，铁电晶体管（FeFETS），有望成为超快，低功耗的非易失性存储器，并最终可能与当前的闪存技术并驾齐驱[v，vi，vii]。

作为铁电材料，氧化铪薄膜的存在的一个表征难题是它的弱压电响应。 我们知道压电力显微镜（PFM）通常需利用接触共振频率下增强的共振信号进行测量[viii]，然而，如果接触共振的频率不稳定，则可能引入使压电响应变得模糊的形貌串扰。

Asylum Research专有的双频共振追踪或DART™模式可以更精确地跟踪接触共振移位，从而限度地减少形貌对测量的影响。以下是Si：HfO2薄膜的DART™-PFM的一些实例图像，清楚地显示了不同极化方向的压电畴。在唤醒循环之前，样品是在结晶后处于其初始状态的厚度为10nm的薄膜。这些数据是在为客户安装调试新Cypher S系统期间获得的。

10nm Si：HfO2薄膜的的DART振幅（左）和相位（右）图像（扫描尺寸为1.5μm）。 横线截面图像显示具有相反极化方向的压电畴。

References

[i] Zhu, H., C. Tang, L. R. C. Fonseca, and R. Ramprasad. "Recent progress in ab initio simulations of hafnia-based gate stacks." Journal of Materials Science 47, no. 21 (2012): 7399-7416.

[ii] Intel News Release: “Intel's Fundamental Advance in Transistor Design Extends Moore's Law, Computing Performance: Sixteen Eco-Friendly, Faster and 'Cooler' Chips Incorporate 45nm Hafnium-Based High-k Metal Gate Transistors”(https://www.intel.com/pressroom/archive/releases/2007/20071111comp.htm)

[iii] Böscke, T. S., J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, and U. Böttger. "Ferroelectricity in hafnium oxide thin films." Applied Physics Letters 99, no. 10 (2011): 102903.

[iv] Polakowski, Patrick, and Johannes Müller. "Ferroelectricity in undoped hafnium oxide." Applied Physics Letters 106, no. 23 (2015): 232905.

[v] NamLab (Nanoelectronic Materials Laboratory) Website: “Hafnium Oxide Based Ferroelectric Memory (http://www.namlab.de/research/reconfigurable-devices/hafnium-oxide-based-ferroelectric-memory)

[vi] Dünkel, S., M. Trentzsch, R. Richter, P. Moll, C. Fuchs, O. Gehring, M. Majer et al. "A FeFET based super-low-power ultra-fast embedded NVM technology for 22nm FDSOI and beyond." In Electron Devices Meeting (IEDM), 2017 IEEE International, pp. 19-7. IEEE, 2017.

[vii] Trentzsch, M., S. Flachowsky, R. Richter, J. Paul, B. Reimer, D. Utess, S. Jansen et al. "A 28nm HKMG super low power embedded NVM technology based on ferroelectric FETs." In Electron Devices Meeting (IEDM), 2016 IEEE International, pp. 11-5. IEEE, 2016.

[viii] Rodriguez, Brian J., Clint Callahan, Sergei V. Kalinin, and Roger Proksch. "Dual-frequency resonance-tracking atomic force microscopy." Nanotechnology 18, no. 47 (2007): 475504.

Sample courtesy of Thomas Kämpfe at the Fraunhofer Institut, Dresden, Germany.