氧化铪基铁电薄膜负电容效应及其超低功耗应用研究

Use of ferroelectric thin film negative capacitance (NC) is considered as an effective way for decreasing the power dissipation of microelectronic devices, which is through reducing the subthreshold swing of the metal-oxide-semiconductor (MOS) field-effect transistor (FET). Compared to traditional perovskite type ferroelectric thin film, ferroelectric hafnium oxide thin film materials behave many advantages, such as better scaling ability, more compatible with CMOS technology and more simple process. It has become a hot research topic in both academic and industry communities at present. In this project, the effect of NC in the ferroelectric hafnium oxide materials will be investigated systematically. In theory, first principles calculation and numerical simulation will be used to explore the physical mechanism and the factors of the NC, to reveal the rules of NC, and to clarify the regulating role of NC effect in the process of switching and storage of the field-effect transistor. In experiment, high performance NC ferroelectric hafnium oxide thin films and devices will be prepared using the atomic layer deposition method and CMOS process, and high speed switching logic and storage field effect transistor devices with low value of subthreshold swing (SS < 60 mV/dec) will also be obtained. It is expected that this project will provide scientific guidelines and experimental evidence for the low power dissipation application of the ferroelectric hafnium oxide thin films FETs in the microelectronic chips.

利用铁电薄膜的负电容效应，降低金属-氧化物-半导体(MOS)场效应晶体管的亚阈值摆幅，是一种降低微电子元器件操作电压和功耗的有效方法。与传统钙钛矿结构铁电薄膜相比，氧化铪基铁电薄膜以其更好的尺寸缩小能力、与CMOS工艺更兼容、工艺更加简单等优点，成为目前学术界和产业界的一个研究热点。本申请项目拟对氧化铪基铁电薄膜及其器件的负电容效应进行系统研究。理论上，采用第一性原理和数值模拟方法，探索氧化铪基铁电薄膜负电容的物理机制和影响因素，揭示氧化铪基铁电薄膜负电容产生的规律，阐明负电容效应在晶体管逻辑开关与存储过程中的调控作用。实验上，采用原子层淀积法与标准CMOS工艺，制备出具有负电容效应的氧化铪基铁电薄膜及器件，获得优良亚阈值特性(SS<60mV/dec)、高速转换的场效应晶体管逻辑与存储器件。研究成果可以为氧化铪基铁电薄膜场效应晶体管在微电子芯片中的低功耗应用提供科学指导和实验依据。

利用氧化铪基薄膜的负电容效应，能够有效降低场效应晶体管的亚阈值摆幅，进而实现超低功耗应用。本项目针对氧化铪基薄膜的负电容效应开展系统的理论及实验研究工作，获得了一些比较重要的研究结果。理论方面：(1)基于金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构，我们建立了一个关联铁电负电容与退极化电场的理论模型，基于该模型的计算结果表明，在栅电压取值比较小的情况下(Vg < 0.5 V)，退极化电场的值非常小，栅电压继续增大时，退极化电场会迅速变大并出现陡增的现象，退极化电场随栅电压的陡峭增大是产生负电容的原因，该模型能很好地解释稳态负电容的形成机理及负电容在器件当中产生的一些效应。(2)建立了一个负电容场效应晶体管(FET)的界面层模型，在该模型中，通过引入金属电极与铁电层之间的界面层电导率，系统研究了界面层电导率对负电容FET电学性能的影响，结果表明，在室温下，当铁电氧化铪薄膜的厚度为8 nm时，其负电容效应最明显，并且存在一个最佳的界面电导参数，使得晶体管亚阈值摆幅最小，研究成果能较好地指导负电容FET的设计与性能优化。(3)针对瞬态负电容的机理进行了深入分析，结果表明，铁电畴翻转时，极化变化速率与电荷变化速率的失配是瞬态负电容产生的原因。同时，利用铁电薄膜与衬底之间的压应变，实现了对瞬态负电容的有效调控，研究结果能够为负电容的调控与优化提供有益指导。实验方面：(1)采用化学溶液沉积法，成功制备出性能良好的钕掺杂氧化铪薄膜(Nd:HfO2)和铈掺杂铪锆氧铁电薄膜(Ce:Hf0.5Zr0.5O2)，通过调控钕和铈掺杂浓度，薄膜的剩余极化值达2Pr = 34 μC/cm2。(2)通过脉冲激光沉积法，制备了不同厚度(4-10 nm)性能优异的掺锆氧化铪铁电薄膜，并对厚度为10 nm的薄膜进行了负电容测试，结果表明，所制备的薄膜具有明显的负电容现象。这些研究结果可以为氧化铪基薄膜负电容的超低功耗应用提供理论指导和实验支撑。