Hafnijev oksid v prahu CAS 12055-23-1

V tradicionalnih mikroelektronskih napravah je bil silicijev dioksid uporabljen kot material za izolacijsko plast vrat. Vendar pa se z nenehnim razvojem polprevodniške tehnologije velikost tranzistorjev nenehno zmanjšuje, debelina izolacijskega sloja vrat iz silicijevega dioksida pa se postopoma približuje svoji fizični meji. Ko se debelina dielektrika vrat iz silicijevega dioksida zmanjša do določene mere, se bo stanje puščanja vrat znatno povečalo, kar bo povzročilo zmanjšanje zmogljivosti tranzistorja in povečanje porabe energije.

Nastanekprašek hafnijevega oksidazagotavlja učinkovit način za reševanje zgornjih težav. V primerjavi s silicijevim dioksidom ima hafnijev dioksid višjo dielektrično konstanto in lahko zagotovi enako kapacitivnost pri manjši debelini, kar učinkovito zmanjša velikost tranzistorjev. Medtem ima hafnijev dioksid izredno visoko združljivost s procesi integriranih vezij in ga je mogoče enostavno vključiti v obstoječe mikroelektronske proizvodne procese. Poleg tega feroelektrične lastnosti hafnijevega dioksida zagotavljajo nove možnosti za njegovo uporabo v ne-hlapnem pomnilniku in na drugih področjih.

(1) Izboljšajte delovanje tranzistorja
Hafnijev dioksid se pogosto uporablja v polprevodniških napravah za izdelavo visoko{0}}k dielektričnih plasti, ki nadomešča tradicionalne izolacijske plasti vrat SiO ₂. Dielektrična plast z visoko-k lahko učinkovito zmanjša uhajanje na vratih, izboljša pogonski tok in preklopno hitrost tranzistorja ter znatno izboljša delovanje tranzistorja. Na primer, ko je Intel predstavil 65-nanometrski proizvodni proces.

Čeprav se je po svojih najboljših močeh trudil zmanjšati debelino dielektrika vrat iz silicijevega dioksida na 1,2 nanometra, se je težava pri porabi energije in odvajanju toplote povečala, ko je bil tranzistor zmanjšan na atomsko velikost, kar je povzročilo trenutno izgubo in nepotrebno toplotno energijo, stanje uhajanja pa se je znatno povečalo. Da bi rešil to težavo, je Intel uporabil debelejše materiale z visoko -K (materiali na osnovi hafnija) kot dielektrike vrat namesto silicijevega dioksida, s čimer je uspešno zmanjšal uhajanje za več kot 10-krat.

(2) Zmanjšajte velikost naprave
Z nenehnim napredovanjem naprednih procesnih vozlišč imajo mikroelektronske naprave vedno višje zahteve glede velikosti. Visoka dielektrična konstanta hafnijevega dioksida mu omogoča, da zagotovi zadostno kapacitivnost pri tanjših debelinah, s čimer izpolnjuje povpraševanje po nenehno manjšajočih se velikostih naprav. V primerjavi s prejšnjo generacijo 65-nanometrske tehnologije 45-nanometrski proces, ki uporablja hafnijev dioksid kot dielektrik vrat, poveča gostoto tranzistorjev za skoraj 2-krat, kar omogoča povečanje skupnega števila tranzistorjev ali zmanjšanje velikosti procesorja.

(3) Zmanjšajte porabo energije
Uporaba visoko{0}}k dielektrične plasti hafnijevega dioksida lahko tudi učinkovito zmanjša porabo energije mikroelektronskih naprav. Z zmanjšanjem puščanja vrat in povečanjem preklopne hitrosti tranzistorjev lahko hafnijev dioksid zmanjša izgubo energije med delovanjem naprave, podaljša življenjsko dobo baterije in izboljša energetsko učinkovitost opreme.

(1) Odkritje in možnosti uporabe feroelektrike
Leta 2011 je skupina za raziskave in razvoj zagonskega podjetja NaMLab za elektronske materiale, ki sta ga ustanovila družba Qimonda Semiconductor Company in tehnološka univerza v Dresdnu v Nemčiji, pripravila tanke filme HfO ₂, dopirane s silicijevim dioksidom, z debelino manj kot 10 nm s tehnologijo nanašanja atomskih plasti, in prvič v poskusih opazila edinstveno zanko histereze feroelektričnih materialov. To odkritje je postavilo temelje za uporabo hafnijevega dioksida na področju feroelektričnega spomina. Feroelektrični pomnilnik ima prednosti ne-hlapnosti, visoke-hitrosti branja in pisanja ter nizke porabe energije in velja za pomembno razvojno smer za naslednjo generacijo pomnilnika.

(2) Princip delovanja feroelektričnega pomnilnika
Feroelektrični pomnilnik uporablja feroelektričnost feroelektričnih materialov za shranjevanje in branje podatkov. Feroelektrični materiali imajo spontane polarizacijske značilnosti in smer polarizacije se lahko obrne pod delovanjem zunanjega električnega polja. V feroelektričnem pomnilniku se smer polarizacije feroelektričnih materialov spremeni z uporabo različnih električnih polj, ki predstavljajo različna stanja podatkov (kot sta "0" in "1"). Zaradi stabilnega polarizacijskega stanja feroelektričnih materialov tudi po odstranitvi zunanjega električnega polja ima feroelektrični pomnilnik ne-hlapljive lastnosti.

(3) Prednosti feroelektričnega pomnilnika iz hafnijevega dioksida
V primerjavi s tradicionalnimi feroelektričnimi materiali ima feroelektrični pomnilnik iz hafnijevega dioksida naslednje prednosti:

Dobra združljivost s tehnologijo CMOS: hafnijev dioksid je mogoče preprosto integrirati v obstoječe proizvodne procese CMOS, kar zmanjša proizvodne stroške in težave pri procesu.
Majhna velikost: Hafnijev dioksid lahko doseže feroelektričnost pri tanjših debelinah, kar je koristno za zmanjšanje velikosti pomnilnika in izboljšanje integracije.

Stabilno delovanje: Hafnijev dioksid ima dobro kemično in toplotno stabilnost, ki lahko ohranja stabilno delovanje v težkih okoljih in izboljša zanesljivost pomnilnika.

(4) Napredek raziskav in status prijave
V zadnjih letih je bil dosežen pomemben napredek pri študiju feroelektričnosti hafnijevega dioksida. V tujini že obstajajo podjetja, ki so izdelala prototipne naprave za feroelektrični pomnilnik na osnovi HfO2 -.

Več podjetij načrtuje razvoj-tridimenzionalnih integriranih logičnih vezij.

Na področju temeljnih znanstvenih raziskav je vedno več dela o feroelektričnosti HfO2, izvor, strukturni fazni prehod, izdelava naprav in energetske aplikacije njegove feroelektričnosti pa so glavne raziskovalne usmeritve. Vendar je trenutno feroelektrični pomnilnik iz hafnijevega dioksida še vedno v raziskovalni in eksperimentalni fazi, do velike-komercialne uporabe pa je še nekaj časa.

(1) Dielektrična keramika
Uporablja se lahko tudi za izdelavo dielektrične keramike, ki igra izolacijo, filtracijo in druge vloge v mikroelektronskih napravah. Njegova visoka dielektrična konstanta in odlična izolacijska zmogljivost omogočata, da dielektrična keramika ohranja dobro delovanje v težkih okoljih, kot sta visoka frekvenca in visoka temperatura, s čimer se izboljšata zanesljivost in stabilnost mikroelektronskih naprav.

(2) Mikrokondenzatorji
V mikroelektronskih vezjih so kondenzatorji pomembna komponenta. Hafnijev dioksid se lahko uporablja za izdelavo mikrokondenzatorjev, ki zagotavljajo stabilne vrednosti kapacitivnosti za vezja. V primerjavi s tradicionalnimi kondenzatorskimi materiali imajo mikrokondenzatorji iz hafnijevega dioksida prednosti, kot so majhna prostornina, velika kapacitivnost in stabilno delovanje, kar je koristno za izboljšanje integracije in učinkovitosti vezij.

(3) Materiali za prevleke
Ima dobro odpornost proti obrabi in korozijo ter se lahko uporablja kot premazni material za proizvodnjo mikroelektronskih naprav. Na primer, prevleka s plastjo hafnijevega dioksida na površini polprevodniškega čipa lahko zaščiti čip pred zunanjo okoljsko erozijo, izboljša zanesljivost in življenjsko dobo čipa.