Nella nostra società incentrata sulla comunicazione, la legge di Moore stabilisce un'elevata aspettativa per il tasso crescente della densità di imballaggio dei transistor basati su Si. Ciò guida la ricerca di strati di gate ad alta costante dielettrica (alto k) scalabili in spessore. Gli attuali materiali candidati, dai semplici ossidi binari agli ossidi polari complessi, non sono tutti riusciti a risolvere il trilemma "polarizzabilità-scalabilità-robustezza dell'isolamento", contribuendo quindi alla somma totale dei problemi che minacciano la continuazione della legge di Moore.
Un team di scienziati dei materiali guidato da Jun Ouyang della Qilu University of Technology di Jinan, in Cina, ha recentemente proposto una soluzione a questo trilemma sugli strati di gate, che è una pellicola ultrasottile di un ossido ferroelettrico nel suo stato superparaelettrico (SPE).
Il team ha pubblicato l'articolo di ricerca sul Journal of Advanced Ceramics il 30 aprile 2024.
"Nello SPE, il suo ordine polare diventa locale ed è disperso in una matrice amorfa con una dimensione cristallina fino a pochi nanometri, portando ad un'eccellente scalabilità dimensionale e ad una buona stabilità di campo del valore k", ha affermato Jun Ouyang, senior autore dell'articolo di ricerca, professore presso la Scuola di Chimica e Ingegneria Chimica e leader del team di Materiali energetici avanzati e Chimica presso l'Università di Tecnologia di Qilu.
"Ad esempio, un valore k elevato e stabile (37±3) è mostrato in film SPE ultrasottili di (Ba0,95 ,Sr0.05 )(Zr0,2 ,Ti0,8 )O3 (BSZT) depositato tramite sputtering su LaNiO3 -Pt/Ti/SiO2 tamponato /(100)Si fino a uno spessore di 4 nm a temperatura ambiente, portando a un piccolo spessore di ossido equivalente (EOT) di ~0,46 nm."
Il gruppo di ricerca ha analizzato il diametro medio degli ammassi polari nanometrici (NPC), la dimensione caratteristica del film SPE ordinato a corto raggio, in funzione dello spessore del film. Hanno scoperto che la dimensione NPC del film, che è correlata positivamente con il valore k del film, è dettata dalla temperatura della deposizione sputtering, non dallo spessore del film.
"Queste osservazioni suggeriscono che il fattore dominante per un k scalabile in un dielettrico SPE è la sua dimensione NPC, non lo spessore del film solitamente indagato. È una dimensione così piccola che ha portato a una buona scalabilità dello spessore di k in un dielettrico SPE ultrasottile film, al contrario di un k non scalabile nella sua controparte ferroelettrica," ha detto Jun Ouyang.
"Inoltre, attraverso studi sulla dipendenza dalla temperatura di k (curve k-T), abbiamo stimato la dimensione critica dell'NPC per la transizione da superparaelettrico a paraelettrico (SPE-PE) nel film BSZT, ovvero il suo limite teorico di scalabilità come strato di gate. Questo limite è compreso tra 1,3 e 1,8 nm, che è coerente con la previsione termodinamica per il materiale BSZT."
Il gruppo di ricerca delinea altre proprietà uniche dei film superparaelettrici BSZT dotati della loro microstruttura di "cluster polari nanometrici (NPC) ben dispersi".
Queste proprietà includono un'elevata resistenza alla rottura (~10,5 MV·cm −1 per la pellicola da 4 nm), che garantisce una bassa corrente di dispersione per il funzionamento del gate del semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS). Inoltre, i film SPE hanno mostrato un’elevata resistenza alla fatica elettrica, cioè stabilità carica-scarica. Questi risultati rivelano un grande potenziale dei materiali superparaelettrici come dielettrici di gate nella microelettronica di prossima generazione.
Il team di ricerca prevede che questo lavoro stimolerà lo sviluppo di nuovi strati di gate basati su superparaelettrici per ridurre ulteriormente il valore EOT e contribuire a continuare la legge di Moore.
Ulteriori informazioni: Kun Wang et al, Spingere il limite di scalabilità alto-k con uno strato di gate superparaelettrico, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220876
Fornito dalla Tsinghua University Press
