Dans notre société centrée sur la communication, la loi de Moore impose des attentes élevées en matière d'augmentation de la densité de conditionnement des transistors à base de Si. Cela conduit à la recherche de couches de grille à constante diélectrique élevée (k élevée) évolutives en épaisseur. Les matériaux candidats actuels, des simples oxydes binaires aux oxydes polaires complexes, n'ont pas tous réussi à résoudre le trilemme « polarisabilité-évolutivité-robustesse de l'isolation », contribuant ainsi à la somme totale de problèmes menaçant le maintien de la loi de Moore.
Une équipe de scientifiques des matériaux dirigée par Jun Ouyang de l'Université de technologie Qilu à Jinan, en Chine, a récemment proposé une solution à ce trilemme sur les couches de grille, qui sont un film ultramince d'oxyde ferroélectrique dans son état superparaélectrique (SPE).
L'équipe a publié son article de recherche dans le Journal of Advanced Ceramics. le 30 avril 2024.
"Dans le SPE, son ordre polaire devient local et est dispersé dans une matrice amorphe avec une taille cristalline allant jusqu'à quelques nanomètres, conduisant à une excellente évolutivité dimensionnelle et à une bonne stabilité de champ de la valeur k", a déclaré Jun Ouyang, senior auteur de l'article de recherche, professeur à l'École de chimie et de génie chimique et chef d'équipe des matériaux énergétiques avancés et de la chimie à l'Université de technologie de Qilu.
" À titre d'exemple, une valeur k élevée et stable (37 ± 3) est affichée dans des films SPE ultrafins de (Ba0,95 ,Sr0,05 )(Zr0.2 ,Ti0,8 )O3 (BSZT) déposé par pulvérisation cathodique sur LaNiO3 -Pt/Ti/SiO2 tamponné /(100)Si jusqu'à une épaisseur de 4 nm à température ambiante, conduisant à une petite épaisseur d'oxyde équivalente (EOT) d'environ 0,46 nm."
L'équipe de recherche a analysé le diamètre moyen des amas polaires nanométriques (NPC), la taille des caractéristiques du film SPE ordonné à courte portée, en fonction de l'épaisseur du film. Ils ont découvert que la taille NPC du film, qui est positivement corrélée à la valeur k du film, est dictée par la température de dépôt par pulvérisation cathodique, et non par l'épaisseur du film.
"Ces observations suggèrent que le facteur dominant pour un k évolutif dans un diélectrique SPE est sa taille NPC, et non l'épaisseur du film habituellement étudiée. C'est une si petite taille de caractéristique qui a conduit à une bonne évolutivité de l'épaisseur de k dans un SPE ultrafin. film, par opposition à un k non évolutif dans son homologue ferroélectrique", a déclaré Jun Ouyang.
"De plus, grâce à des études sur la dépendance de k en température (courbes k – T), nous avons estimé la taille critique du NPC pour la transition superparaélectrique à paraélectrique (SPE-PE) dans le film BSZT, c'est-à-dire sa limite théorique d'évolutivité en tant que couche de grille. Cette limite est comprise entre 1,3 et 1,8 nm, ce qui est cohérent avec la prédiction thermodynamique du matériau BSZT."
L'équipe de recherche souligne d'autres propriétés uniques des films superparaélectriques BSZT, dotées de leur microstructure susmentionnée de « amas polaires nanométriques (NPC) bien dispersés ».
Ces propriétés incluent une résistance élevée au claquage (~10,5 MV·cm −1 pour le film 4 nm), ce qui garantit un faible courant de fuite pour le fonctionnement de la grille CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor). De plus, les films SPE présentaient une résistance élevée à la fatigue électrique, c'est-à-dire une stabilité charge-décharge. Ces résultats révèlent un grand potentiel des matériaux superparaélectriques comme diélectriques de grille dans la microélectronique de nouvelle génération.
L'équipe de recherche s'attend à ce que ces travaux stimulent le développement de nouvelles couches de grille superparaélectriques afin de réduire davantage la valeur EOT et de contribuer à la poursuite de la loi de Moore.
Plus d'informations : Kun Wang et al, Repousser la limite d'évolutivité à k élevé avec une couche de grille superparaélectrique, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI :10.26599/JAC.2024.9220876
Fourni par Tsinghua University Press
