研究揭示了超铁电材料作为栅电介质在下一代微电子中的潜力

在我们以通信为中心的社会中，摩尔定律对硅基晶体管的封装密度的增长率提出了很高的期望。这推动了对厚度可缩放的高介电常数（高k）栅极层的搜索。目前的候选材料，从简单的二元氧化物到复杂的极性氧化物，都未能解决“极化率-可扩展性-绝缘稳健性”三重困境，因此导致了威胁摩尔定律延续的问题的总和

中国济南齐鲁工业大学的欧阳军领导的一个材料科学家团队最近提出了一种解决栅极层上这三重难题的方法，即铁电氧化物的超顺电（SPE）薄膜

该团队于2024年4月30日在《高级陶瓷杂志》上发表了他们的研究文章。

“在SPE中，其极性顺序变为局部的，并分散在晶体尺寸低至几纳米的非晶基体中，导致了优异的尺寸可扩展性和良好的k值场稳定性，”该研究文章的高级作者、化学与化学工程学院教授、齐鲁工业大学高级能源材料与化学团队负责人欧阳军说

“例如，在室温下，在LaNiO3缓冲的Pt/Ti/SiO2/（100）Si上溅射沉积的（Ba0.95，Sr0.05）（Zr0.2，Ti0.8）O3（BSZT）超薄SPE膜中显示出稳定的高k值（37±；3），厚度降至4 nm，导致约0.46 nm的小当量氧化物厚度（EOT）。”

研究团队分析了纳米极性团簇（NPC）的平均直径，即短程有序SPE膜的特征尺寸，作为膜厚度的函数。他们发现，薄膜的NPC尺寸与薄膜的k值呈正相关，是由溅射沉积的温度决定的，而不是由薄膜厚度决定的

“这些观察结果表明，SPE电介质中可扩展k的主要因素是其NPC尺寸，而不是通常研究的膜厚度。正是如此小的特征尺寸导致了SPE超薄膜中k的良好厚度可扩展性，而不是铁电对应物中的不可扩展k，”Jun Ouyang说

“此外，通过研究k（k&ndash；T曲线）的温度依赖性，我们估计了BSZT膜中超顺电-顺电（SPE-PE）转变的临界NPC尺寸，即其作为栅极层的理论可扩展性极限。该极限在1.3至1.8 nm之间，这与BSZT材料的热力学预测一致。”

研究团队概述了超顺电BSZT薄膜的其他独特特性，这些特性是由其上述“良好分散的纳米极性团簇（NPC）”的微观结构赋予的

这些特性包括高击穿强度（对于4nm膜，约10.5MV·；cm&minus；1），这确保了互补金属氧化物半导体（CMOS）栅极操作的低漏电流。此外，高的抗电疲劳性，即电荷&ndash；SPE膜显示了放电稳定性。这些结果揭示了超铁电材料作为栅极电介质在下一代微电子技术中的巨大潜力

研究团队预计这项工作将推动新的超铁电栅极层的开发，以进一步降低EOT值，并有助于延续摩尔定律