Hafniumoxidpulver CAS 12055-23-1

I traditionelle mikroelektroniske enheder er siliciumdioxid blevet brugt som gateisoleringsmateriale. Men med den kontinuerlige udvikling af halvlederteknologi krymper størrelsen af ​​transistorer konstant, og tykkelsen af ​​siliciumdioxid-portisoleringslaget nærmer sig gradvist sin fysiske grænse. Når tykkelsen af ​​siliciumdioxid-gate-dielektrikumet falder til en vis grad, vil gate-lækagesituationen stige betydeligt, hvilket fører til et fald i transistorydelsen og en stigning i strømforbruget.

Fremkomsten afhafniumoxidpulvergiver en effektiv måde at løse ovenstående problemer på. Sammenlignet med siliciumdioxid har hafniumdioxid en højere dielektrisk konstant og kan give den samme kapacitans i en tyndere tykkelse, hvilket effektivt reducerer størrelsen af ​​transistorer. I mellemtiden har hafniumdioxid ekstrem høj kompatibilitet med integrerede kredsløbsprocesser og kan nemt integreres i eksisterende mikroelektroniske fremstillingsprocesser. Derudover giver de ferroelektriske egenskaber af hafniumdioxid nye muligheder for dets anvendelse i ikke-flygtig hukommelse og andre områder.

(1) Forbedre transistorydelsen
Hafniumdioxid bruges i vid udstrækning i halvlederenheder til fremstilling af høj-k dielektriske lag, der erstatter traditionelle SiO ₂-portisoleringslag. Det høje-k dielektriske lag kan effektivt reducere gate-lækage, forbedre transistorens drivstrøm og koblingshastighed og forbedre transistorens ydeevne betydeligt. For eksempel da Intel introducerede 65 nanometer fremstillingsprocessen.

Selvom den havde gjort alt for at reducere tykkelsen af ​​siliciumdioxid-gate-dielektrikumet til 1,2 nanometer, steg vanskeligheden med strømforbrug og varmeafledning, da transistoren blev reduceret til atomstørrelse, hvilket resulterede i strømspild og unødvendig varmeenergi, og lækagesituationen steg markant. For at løse dette problem brugte Intel tykkere høj-K-materialer (hafniumbaserede materialer) som gate-dielektrikum i stedet for siliciumdioxid, hvilket med held reducerede lækage med mere end 10 gange.

(2) Reducer enhedens størrelse
Med den kontinuerlige udvikling af avancerede procesknudepunkter har mikroelektroniske enheder stadig højere krav til størrelse. Den høje dielektriske konstant af hafniumdioxid gør det muligt for den at give tilstrækkelig kapacitans ved tyndere tykkelser, hvilket imødekommer behovet for kontinuerligt krympende enhedsstørrelser. Sammenlignet med den tidligere generation af 65 nanometer teknologi øger 45 nanometer-processen, der bruger hafniumdioxid som gate-dielektrikum, transistortætheden med næsten 2 gange, hvilket giver mulighed for en stigning i det samlede antal transistorer eller en reduktion i processorstørrelse.

(3) Reducer strømforbruget
Anvendelsen af ​​hafniumdioxid høj-k dielektrisk lag kan også effektivt reducere strømforbruget af mikroelektroniske enheder. Ved at reducere gate-lækage og øge omskiftningshastigheden af ​​transistorer kan hafniumdioxid reducere energitab under enhedens drift, forlænge batteriets levetid og forbedre udstyrets energieffektivitet.

(1) Opdagelses- og anvendelsesmuligheder for ferroelektricitet
I 2011 forberedte R&D-teamet fra NaMLab Electronic Materials Startup, grundlagt af Qimonda Semiconductor Company og Dresden University of Technology i Tyskland, HfO ₂ tynde film doteret med siliciumdioxid med en tykkelse på mindre end 10 nm gennem atomlagsdepositionsteknologi og observerede den unikke hysteresematerialesløjfe for den første gang i ferroelektriske eksperimenter. Denne opdagelse lagde grundlaget for anvendelsen af ​​hafniumdioxid inden for ferroelektrisk hukommelse. Ferroelektrisk hukommelse har fordelene ved ikke--flygtig, høj-læse- og skrivehastighed og lavt strømforbrug og betragtes som en vigtig udviklingsretning for den næste generation af hukommelse.

(2) Arbejdsprincippet for ferroelektrisk hukommelse
Ferroelektrisk hukommelse udnytter ferroelektriciteten af ​​ferroelektriske materialer til at lagre og læse data. Ferroelektriske materialer har spontane polariseringskarakteristika, og polarisationsretningen kan vendes under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. I ferroelektrisk hukommelse ændres polarisationsretningen af ​​ferroelektriske materialer ved at anvende forskellige elektriske felter til at repræsentere forskellige datatilstande (såsom "0" og "1"). På grund af den stabile polarisationstilstand af ferroelektriske materialer, selv efter fjernelse af et eksternt elektrisk felt, har ferroelektrisk hukommelse ikke-flygtige egenskaber.

(3) Fordele ved hafniumdioxid ferroelektrisk hukommelse
Sammenlignet med traditionelle ferroelektriske materialer har hafniumdioxid ferroelektrisk hukommelse følgende fordele:

God kompatibilitet med CMOS-teknologi: Hafniumdioxid kan nemt integreres i eksisterende CMOS-fremstillingsprocesser, hvilket reducerer fremstillingsomkostninger og procesbesvær.
Lille størrelse: Hafniumdioxid kan opnå ferroelektricitet ved tyndere tykkelser, hvilket er gavnligt for at reducere størrelsen af ​​hukommelsen og forbedre integrationen.

Stabil ydeevne: Hafniumdioxid har god kemisk og termisk stabilitet, som kan opretholde stabil ydeevne i barske miljøer og forbedre hukommelsens pålidelighed.

(4) Forskningsfremskridt og ansøgningsstatus
I de senere år er der sket betydelige fremskridt i undersøgelsen af ​​ferroelektriciteten af ​​hafniumdioxid. Der er allerede virksomheder i udlandet, der har produceret prototypeenheder til HfO2 --baseret ferroelektrisk hukommelse.

Og flere virksomheder planlægger udviklingen af ​​tre-dimensionelle integrerede logiske kredsløb.

Inden for grundlæggende videnskabelig forskning er der en stigende mængde arbejde med ferroelektriciteten af ​​HfO2, og oprindelsen, den strukturelle faseovergang, enhedsfremstilling og energianvendelser af dens ferroelektricitet er de vigtigste forskningsretninger. Men i øjeblikket er hafniumdioxid ferroelektrisk hukommelse stadig i forsknings- og forsøgsstadiet, og der er stadig en vis afstand at gå før kommercielle applikationer i stor skala.-

(1) Dielektrisk keramik
Det kan også bruges til at fremstille dielektrisk keramik, som spiller isolering, filtrering og andre roller i mikroelektroniske enheder. Dens høje dielektriske konstant og fremragende isoleringsydelse gør det muligt for dielektrisk keramik at opretholde god ydeevne i barske miljøer såsom høj frekvens og høj temperatur, hvilket forbedrer pålideligheden og stabiliteten af ​​mikroelektroniske enheder.

(2) Mikrokondensatorer
I mikroelektroniske kredsløb er kondensatorer en vigtig komponent. Hafniumdioxid kan bruges til at fremstille mikrokondensatorer, hvilket giver stabile kapacitansværdier for kredsløb. Sammenlignet med traditionelle kondensatormaterialer har hafniumdioxidmikrokondensatorer fordele såsom lille volumen, stor kapacitansværdi og stabil ydeevne, som er gavnlige til at forbedre integrationen og ydeevnen af ​​kredsløb.

(3) Belægningsmaterialer
Det har god slidstyrke og korrosionsbestandighed og kan bruges som belægningsmateriale til fremstilling af mikroelektroniske enheder. For eksempel kan belægning af et lag af hafniumdioxid på overfladen af ​​en halvlederchip beskytte chippen mod ekstern miljøerosion, forbedre chippens pålidelighed og levetid.