Ученые ИФП СО РАН улучшили пленки диэлектрика на основе диоксида гафния

Сверхтонкие пленки с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) на основе диоксида гафния усовершенствовали и исследовали специалисты Института физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова СО РАН, 24 сентября сообщило издание СО РАН «Наука в Сибири» со ссылкой на пресс-службу ИФП СО РАН.

Улучшенные пленки могут использоваться при создании энергонезависимой памяти и мобильной связи нового поколения, отмечают ученые. Работа велась под руководством заведующего лабораторией ИФП СО РАН доктора физико-математических наук Владимира Попова.

Аспирант ИФП СО РАН Владимир Жилицкий, исследующий диоксид гафния, пояснил, что high-k диэлектрик при приложении электрического поля сильнее поляризуется и почти не уменьшает электрический потенциал, что «позволяет увеличить толщину подзатворного диэлектрика, снизить утечки и открывать токовый канал в полевом транзисторе при более низких напряжениях, чтобы в итоге создавать полупроводниковые устройства с более низким напряжением питания и электропотреблением».

Он рассказал, что новый вариант диэлектрика обладает сегнетоэлектрическими свойствами (сохраняет поляризацию при выключении внешнего электрического поля). Поэтому такой материал может использоваться для создания ячеек памяти или транзисторов с регулируемым порогом открытия.

Традиционно в кремниевой электронике диэлектриком для затворов транзисторов почти всегда берется диоксид кремния (SiO₂). Ученые ИФП СО РАН провели исследования для замены его на high-k диэлектрик. Одним из них стал диоксид гафния (HfO₂), который исследует Владимир Жилицкий.

Если диэлектрическая проницаемость диоксида кремния составляет около 3,9, то у диоксида гафния в орторомбической кристаллической фазе — порядка 25. Кроме того, в этой фазе он обладает сегнетоэлектрическими свойствами — сохраняет поляризацию после снятия напряжения.

Однако орторомбическая фаза HfO₂ метастабильна и легко переходит в другие фазы. Для стабилизации орторомбической фазы обычно применяют легирование цирконием, но в ИФП СО РАН выбрали другой путь — легирование диоксида гафния оксидом алюминия в соотношении 15 к 1, при этом монослои из этих двух диэлектриков чередуются.

Для выращивания пленок нового типа диэлектрика специалисты ИФП СО РАН применили метод плазменно-стимулированного атомно-слоевого осаждения (PEALD) в Департаменте Физико-технологических исследований им. К. А. Валиева НИЦ «Курчатовский институт».

Затем они уже в своей лаборатории переносили пленки с тонким слоем кремния на кремниевую же подложку методом, напоминающим SmartCut. В результате исследователи получили high-k структуру, в которой слой диэлектрика с обеих сторон изолирован кремнием.

Эти образцы они подвергли 30-секундному отжигу в диапазоне температур от 700 до 950 °C. После чего образцы были исследованы методом импеданс-спектроскопии — быстрым и недорогим способом, позволяющим проводить большое количество измерений на разных контактных площадках. Такой метод позволяет быстро получить усредненный результат по большому количеству измерений, чтобы узнать о произошедших при отжиге изменениях.

«Мы выяснили, что небольшие участки орторомбической фазы диоксида гафния, легированного алюминием, сохраняются вплоть до температуры отжига 900 °C. Мы не нашли работ, где это было бы показано для такой высокой температуры, вероятно это особенность легирования алюминием», — рассказал Владимир Жилицкий.

К сожалению, при высокой температуре отжига бо́льшая часть диоксида гафния переходит в моноклинную фазу. Одновременно кремний «вытягивает» кислород из диоксида гафния. При этом на границе образуется межслойный диэлектрик SiOₓ с низкой диэлектрической проницаемостью.

Было установлено, что рост SiOₓ значительно ускоряется при температуре отжига выше 800 °C и эффективная проницаемость всей структуры снижается до 12–13 вместо ожидаемых 20–25, уточнил исследователь, добавив, что есть высокая вероятность достичь эффективной диэлектрической проницаемости порядка 20, если ограничить температуру быстрого отжига 750 °C. Но нужно будет также создать барьеры для диффузии кислорода в кремний, используя, например, тонкие слои нитрида кремния или бора.

Перспективность полученного нового диэлектрика в том, что тонкий слой диоксида гафния окружен кремнием с обеих сторон. Поэтому такие пластины можно применять для создания двухзатворных транзисторов с регулируемым порогом срабатывания, когда затвор с high-k диэлектриком управляет порогом срабатывания другого.

При этом возникает возможность настраивать электронику или на энергоэффективную работу при низких напряжениях, или на работу на высоких частотах. Также сегнетоэлектрические свойства диоксида гафния позволяют использовать созданные структуры в качестве ячеек энергонезависимой памяти. Такие ячейки будут более быстродействующими и износостойкими, чем флэш-память.

Если ресурс флэш-памяти составляет порядка 10 000 циклов записи, то у памяти на основе диоксида гафния он может быть на много порядков выше. Кроме того, высокая рабочая частота переключений транзисторов на его основе делает диоксид гафния перспективным для использования в мобильной связи нового поколения. Однако в настоящее время исследования в ИФП СО РАН имеют фундаментальный характер, отмечают ученые.