中國粉體網訊 在國家自然科學基金項目（批準號：61534004，61604112，61622405，61874081）資助下，西安電子科技大學韓根全、郝躍等在鐵電場效應晶體管研究領域取得突破性進展，發明了新型納米晶鐵電材料（Nanocrystal-Embedded-Insulator，NEI）并制備了鐵電負電容晶體管器件。研究成果以“Nanocrystal-Embedded-Insulator Ferroelectric Negative Capacitance FETs with Sub-kT/q Swing”（陡峭亞閾值擺幅納米晶鐵電負電容場效應晶體管）為題，于2019年1月作為封面文章發表在微電子器件領域旗艦期刊IEEE Electron Device Letters（《IEEE電子器件快報》）上。
利用鐵電材料作為柵介質制備的鐵電晶體管是有望突破傳統MOSFET器件玻爾茲曼限制的新型信息器件之一，在低功耗電路和非易失存儲等方面有廣泛應用前景。2011年德國研究人員在摻雜氧化鉿（HfO2）材料中觀測到鐵電性，和傳統鐵電材料（如PZT，SBT等）相比，HfO2基鐵電和CMOS工藝完全兼容，因此HfO2基鐵電晶體管很快引起了微電子研究人員的極大關注。然而，從目前研究看，HfO2基鐵電材料尚存在以下問題：1）摻雜HfO2的本征缺陷導致鐵電材料存在不可避免的喚醒效應、印刻效應和易極化疲勞；2）實驗研究顯示HfO2基鐵電晶體管用作非易失存儲器時柵介質厚度一般為8~10 納米，而用作負電容晶體管時柵介質厚度為4納米左右，這限制了HfO2基鐵電晶體管在集成電路先進技術節點的應用。
針對上述問題，研究團隊采用先進的原子層沉積（ALD）工藝，在非晶順電介質Al2O3中嵌入少量氧化鋯（ZrO2）納米晶顆粒，實現了新型的納米晶鐵電薄膜。該材料的鐵電參數不僅可以通過改變ZrO2含量來大范圍調整，而且通過使用更致密的Al2O3和ZrO2代替HfO2，有效克服了摻雜HfO2本征缺陷引起的喚醒效應、印刻效應和極化疲勞，從而提高了器件的耐久和保持特性。此外，由于NEI介質整體為不定形（amorphous）相，可以被制備得非常薄。在對NEI進行詳細鐵電特性表征的基礎上，研究團隊還制備了3.6 納米NEI 鐵電負電容器件。器件測試結果表明：和HfO2基鐵電器件相比，基于該新型納米晶鐵電材料的鐵電晶體管可在柵介質厚度更薄的情況下實現穩定的負電容效應，且晶體管亞閾值擺幅突破了60mV/decade物理極限。論文工作為實現3~5納米負電容FinFET奠定了材料基礎，也為我國“后摩爾時代”新器件研發提供了具有自主知識產權的技術方案。
（中國粉體網編輯整理/初末）
