氧化铪在半导体领域的应用进展

氧化铪为锆铪分离的产物，数量稀少，价格昂贵。作为铪的主要化学产品，通常用作光学镀膜材料，很少量开始试用于高效集成电路，氧化铪在高端领域的应用尚待开发。本文将介绍近年氧化铪在半导体领域的应用研究进展。

负微分电容

在铁电材料中，电介质可用来稳定负微分电容(Negative differential capacitance)，并克服电子设备中电容耦合的限制。然而，在按比例缩小的硅基结构（如先进的低功耗逻辑器件中使用的结构）中，利用负微分电容，仍然极具挑战。

近日，Jinseong Heo等人^[1]报道了基于厚度低至1nm的铁电锆掺杂氧化铪zirconium-doped hafnia（Hf0.5Zr0.5O2）的金属氧化物半导体电容器中，因负微分电容，增强了器件的电性能。

该器件表现出更优越的性能，相比于物理上更薄的、且不含铁电掺锆氧化铪的控制器件。S形极化-电场关系验证了负微分电容效应。该效应也在场效应晶体管中实现了，其中高介电常数κ的氧化铪，取代了铁电锆掺杂的氧化铪，从而使得导通电流增加、截止电流减小，以及负漏极引起的势垒降低。负微分电容，还表现出超过10E15个周期的耐久性，并且掺杂可以有效地调节界面电荷。

半导体存储技术

Markus Hellenbrand 等人^[2]开发了一种基于氧化铪的存储设备。氧化铪是一种广泛用于半导体行业的绝缘材料。氧化铪的主要挑战是其原子结构，其中铪和氧原子随机混合，由于缺乏均匀性，使其不适合记忆应用。然而，通过在氧化铪薄膜中添加钡，研究人员创造了一种复合材料，其结构允许电子通过，形成一个能量屏障，可以升高或降低以改变材料的电阻，从而允许其中存在多种状态。

这项研究的创新在于这些氧化铪复合材料在低温下自组装的方式，表现出高性能和均匀性。考虑到该材料与半导体行业现有制造工艺的兼容性，这一特性使该材料对下一代内存应用很有希望。

参考文献

[1] Negative differential capacitance in ultrathin ferroelectric hafnia. doi:10.1038/s41928-023-00959-3

[2] Thin film design of amorphous hafnium oxide nanocomposites enabling strong interfacial resistive switching uniformity. doi:10.1126/sciadv.adg1946