随着晶体管器件尺寸的不断减小，氧化硅作为MOSFET中的栅极氧化物已经不能满足要求。2000年代中期，研究人员开始关注氧化铪作为氧化硅的替代材料。氧化铪是一种高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年就已经在其处理器中采用了铪基高k金属栅极。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保证良好的性能。
2011年，氧化铪的铁电性质被公之于众。虽然所有的块体氧化铪都具有中心对称的晶体结构，不具备铁电性，但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。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。
作为铁电材料，氧化铪薄膜的压电响应是一个表征难题。传统的压电力显微镜（PFM）在测量时需要利用接触共振频率下增强的共振信号，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公司的双频共振追踪或DART?模式可以更精确地跟踪接触共振移位，从而最大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。
[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] B?scke, T. S., J. Müller, D. Br?uhaus, U. Schr?der, and U. B?ttger. "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] Dünkell, 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.
样品由德国德累斯顿Fraunhofer研究所的Thomas K?mpfe提供。
1
