氧化铪帮助微电子学保持摩尔定律轨迹

晶体管器件尺寸的持续减小导致在2000年代中期，氧化铪取代氧化硅作为mosfet的栅氧化物[我]．氧化铪是一种高k介电材料，是少数与硅具有热力学稳定性的二元氧化物之一。因此，它可以自然地集成到逻辑和存储设备中。例如，英特尔在2007年宣布在其处理器中加入铪基高k金属门(二)．这种新的晶体管配方承诺降低功耗，减少漏电，同时提供精简的性能。

2011年报道了氧化铪的铁电性[3]．氧化铪的所有体相都具有中心对称晶体结构，因此不表现出铁电性。氧化铪在室温下为单斜态，在2050 K以上为四方态。然而，当在机械封装(“封盖”)下形成薄膜的过程中掺杂氧化硅时，氧化铪形成非中心对称的晶体相，因此被认为是铁电的(四)．这种铁电相是正交的，是由机械约束抑制四方向单斜转变而形成的。氧化铪的铁电性可能带来利用硅/铁电结的有趣装置。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，最终可能与当前的闪存技术一较高下[v, vi, vii]．

铁电材料的弱压电响应是表征氧化铪薄膜的一个挑战。压电反应力显微镜(PFM)通常需要在接触共振频率下进行，以利用信号的共振增强(八)．然而，接触共振的频率会发生变化，并可能引入可以掩盖压电响应的地形串扰。

庇护研究公司的专利双振幅共振跟踪或DART™模式跟踪接触共振位移，从而最小化地形对测量的影响。以下是Si:HfO的DART™-PFM图像的一些例子₂清晰显示极性压电畴的薄膜。样品是在结晶后的初始状态，唤醒循环前的10纳米薄膜。这些数据是在安装一个客户的新零年代系统。

DART振幅(左)和相位(右)数据覆盖在10 nm Si:HfO的地形表面₂薄膜(3 μ m扫描尺寸)。

DART振幅(左)和相位(右)10 nm Si:HfO图像₂薄膜(1.5 μ m扫描尺寸)，具有极性相反的压电畴的线段。

引用:

[i]朱海华，唐成昌，朱海华。哈夫尼亚门堆从头算模拟的最新进展材料科学杂志47岁的没有。21(2012): 7399-7416。

[ii]英特尔新闻发布:“英特尔晶体管设计的基本进步扩展了摩尔定律，计算性能:16个环保、更快和‘更凉爽’的芯片结合45纳米铪基高k金属栅晶体管”(https://www.intel.com/pressroom/archive/releases/2007/20071111comp.htm）

[iii] Böscke, t.s.， J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, U. Böttger。氧化铪薄膜中的铁电性。应用物理快报99号，no。10(2011): 102903。

[iv] Polakowski, Patrick, Johannes Müller。"未掺杂氧化铪中的铁电性"应用物理快报106,no。23(2015): 232905。

NamLab(纳米电子材料实验室)网站:“基于氧化铪的铁电存储器(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等。“一种基于FeFET的超低功耗超快嵌入式NVM技术，适用于22nm FDSOI及以上。”电子器件会议(IEDM)， 2017, pp. 19-7。IEEE 2017。

[vii]李晓燕，李晓燕，李晓燕，等。基于铁电场效应晶体管的28nm HKMG超低功耗嵌入式NVM技术在电子器件会议(IEDM)， 2016年IEEE国际，第11-5页。IEEE 2016。

[viii]罗德里格斯，布莱恩·J.，克林特·卡拉汉，谢尔盖·v·加里宁，罗杰·普罗克斯。"双频共振跟踪原子力显微镜。"纳米技术，不是。47(2007): 475504。

样本由Thomas提供Kämpfe，位于德国德累斯顿夫琅和费研究所。