Порошок оксида гафния CAS 12055-23-1

В традиционных микроэлектронных устройствах в качестве материала изолирующего слоя затвора используется диоксид кремния. Однако с непрерывным развитием полупроводниковых технологий размеры транзисторов постоянно уменьшаются, а толщина изоляционного слоя затвора из диоксида кремния постепенно приближается к своему физическому пределу. Когда толщина диэлектрика затвора из диоксида кремния уменьшится до определенной степени, ситуация утечки затвора значительно увеличится, что приведет к снижению производительности транзистора и увеличению энергопотребления.

Появлениепорошок оксида гафнияпредлагает эффективный способ решения вышеуказанных проблем. По сравнению с диоксидом кремния диоксид гафния имеет более высокую диэлектрическую проницаемость и может обеспечивать ту же емкость при меньшей толщине, что эффективно уменьшает размер транзисторов. Между тем, диоксид гафния обладает чрезвычайно высокой совместимостью с процессами интегральных схем и может быть легко интегрирован в существующие производственные процессы микроэлектроники. Кроме того, сегнетоэлектрические свойства диоксида гафния открывают новые возможности для его применения в энергонезависимой памяти и других областях.

(1) Улучшение производительности транзистора
Диоксид гафния широко используется в полупроводниковых устройствах для изготовления диэлектрических слоев с высоким-k, заменяющих традиционные изоляционные слои затвора SiO ₂. Диэлектрический слой с высоким -k может эффективно уменьшить утечку затвора, улучшить ток возбуждения и скорость переключения транзистора, а также значительно повысить производительность транзистора. Например, когда Intel представила производственный процесс 65 нанометров.

Несмотря на то, что компания приложила все усилия, чтобы уменьшить толщину диэлектрика затвора из диоксида кремния до 1,2 нанометра, сложность энергопотребления и рассеивания тепла увеличилась, когда транзистор был уменьшен до атомного размера, что привело к потерям тока и ненужной тепловой энергии, а также ситуация с утечкой значительно увеличилась. Чтобы решить эту проблему, Intel использовала более толстые материалы с высоким-K (материалы на основе гафния) в качестве диэлектриков затвора вместо диоксида кремния, что позволило снизить утечку более чем в 10 раз.

(2) Уменьшите размер устройства.
С постоянным развитием современных технологических узлов к микроэлектронным устройствам предъявляются все более высокие требования к размерам. Высокая диэлектрическая проницаемость диоксида гафния позволяет ему обеспечивать достаточную емкость при меньшей толщине, тем самым удовлетворяя потребность в постоянно уменьшающихся размерах устройств. По сравнению с предыдущим поколением 65-нанометровой технологии, 45-нанометровый процесс с использованием диоксида гафния в качестве диэлектрика затвора увеличивает плотность транзисторов почти в 2 раза, что позволяет увеличить общее количество транзисторов или уменьшить размер процессора.

(3) Уменьшите энергопотребление
Применение диэлектрического слоя диоксида гафния с высоким-k также позволяет эффективно снизить энергопотребление микроэлектронных устройств. Уменьшая утечку затвора и увеличивая скорость переключения транзисторов, диоксид гафния может снизить потери энергии во время работы устройства, продлить срок службы батареи и повысить энергоэффективность оборудования.

(1) Открытие и перспективы применения сегнетоэлектричества.
В 2011 году научно-исследовательская группа стартапа электронных материалов NaMLab, основанного Qimonda Semiconductor Company и Дрезденского технологического университета в Германии, с помощью технологии атомно-слоевого осаждения подготовила тонкие пленки HfO₂, легированные диоксидом кремния, толщиной менее 10 нм и впервые в экспериментах наблюдала уникальную петлю гистерезиса сегнетоэлектрических материалов. Это открытие положило начало применению диоксида гафния в области сегнетоэлектрической памяти. Сегнетоэлектрическая память обладает преимуществами энергонезависимой-летучей памяти, высокой-скорости чтения и записи, а также низкого энергопотребления и считается важным направлением развития памяти следующего поколения.

(2) Принцип работы сегнетоэлектрической памяти
Сегнетоэлектрическая память использует сегнетоэлектричество сегнетоэлектрических материалов для хранения и чтения данных. Сегнетоэлектрики обладают спонтанными поляризационными характеристиками, причем направление поляризации может меняться на противоположное под действием внешнего электрического поля. В сегнетоэлектрической памяти направление поляризации сегнетоэлектрических материалов изменяется путем применения разных электрических полей для представления разных состояний данных (например, «0» и «1»). Благодаря стабильному состоянию поляризации сегнетоэлектриков даже после снятия внешнего электрического поля сегнетоэлектрическая память обладает энергонезависимыми свойствами.

(3) Преимущества сегнетоэлектрической памяти на основе диоксида гафния.
По сравнению с традиционными сегнетоэлектриками сегнетоэлектрическая память на основе диоксида гафния имеет следующие преимущества:

Хорошая совместимость с технологией КМОП: диоксид гафния можно легко интегрировать в существующие производственные процессы КМОП, что снижает производственные затраты и сложность процесса.
Малый размер: диоксид гафния позволяет достичь сегнетоэлектричества при меньшей толщине, что полезно для уменьшения размера памяти и улучшения интеграции.

Стабильная производительность: диоксид гафния обладает хорошей химической и термической стабильностью, что позволяет поддерживать стабильную работу в суровых условиях и повышать надежность памяти.

(4) Ход исследований и статус заявки
В последние годы достигнуты значительные успехи в изучении сегнетоэлектричества диоксида гафния. За рубежом уже есть компании, производящие прототипы устройств сегнетоэлектрической памяти на основе HfO2 -.

Несколько компаний планируют разработку трехмерных интегральных логических схем.

В области фундаментальных научных исследований растёт объём работ по сегнетоэлектричеству HfO2, причем основными направлениями исследований являются происхождение, структурный фазовый переход, приборостроение и энергетическое применение его сегнетоэлектричества. Однако в настоящее время сегнетоэлектрическая память на основе диоксида гафния все еще находится на стадии исследований и экспериментов, и до крупномасштабного коммерческого применения еще предстоит пройти определенный путь.

(1) Диэлектрическая керамика
Его также можно использовать для производства диэлектрической керамики, которая играет изоляционную, фильтрующую и другие функции в микроэлектронных устройствах. Его высокая диэлектрическая проницаемость и отличные изоляционные характеристики позволяют диэлектрической керамике сохранять хорошие характеристики в суровых условиях, таких как высокая частота и высокая температура, повышая надежность и стабильность микроэлектронных устройств.

(2) Микроконденсаторы
В микроэлектронных схемах конденсаторы являются важным компонентом. Диоксид гафния можно использовать для изготовления микроконденсаторов, обеспечивающих стабильные значения емкости цепей. По сравнению с традиционными материалами конденсаторов микроконденсаторы на основе диоксида гафния имеют такие преимущества, как небольшой объем, большое значение емкости и стабильная производительность, что способствует улучшению интеграции и производительности схем.

(3) Материалы покрытия
Он обладает хорошей износостойкостью и коррозионной стойкостью и может использоваться в качестве материала покрытия при изготовлении микроэлектронных устройств. Например, покрытие слоя диоксида гафния на поверхности полупроводникового чипа может защитить чип от эрозии внешней среды, повысить надежность и срок службы чипа.