GIỚI THIỆU
Ở tiểu luận này, nhóm nghiên cứu về các công nghệ vi mạch mới:
2 Từ FinFET 3nm đến GAAFET 2nm
FeFET (Ferroelectric Field-Effect Transistor)
FeFET là một loại transistor logic có khả năng duy trì mức logic ngay cả khi không có nguồn điện Để chế tạo FeFET, người ta sử dụng vật liệu ferroelectric thay vì điện môi thông thường ở chân gate, giúp hình thành lưỡng cực vĩnh cửu Điều này chia điện áp threshold của FeFET thành hai trạng thái ổn định, tương ứng với hai bit 0 và 1, cho phép FeFET lưu trữ thông tin nhị phân hiệu quả.
Vật liệu ferroelectric là những chất điện môi có khả năng phân cực điện tự phát mà không cần điện trường bên ngoài, dẫn đến sự nhạy cảm mạnh mẽ khi có điện trường tác động Ứng dụng của ferroelectric trong bộ nhớ solid state đã được Moll và Tarui đề xuất vào năm 1963 thông qua việc sử dụng TFT (transistor màng mỏng) Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về thin film trong những năm 1960, khả năng lưu trữ của chúng không đạt yêu cầu Đến cuối những năm 1980, công nghệ FRAM ra đời, sử dụng ferroelectric thin film với chức năng như tụ điện, mang lại bước tiến mới trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu.
Gần đây, các nghiên cứu mới về tính điện từ trong các oxit, đặc biệt là hafnium oxide từ năm 2011, đã phù hợp với công nghệ sản xuất bán dẫn hiện đại, góp phần làm sống lại FeFET trong ngành vi mạch.
Khi một điện trường tác động lên chất điện môi thông thường, các điện tích dương và âm sẽ di chuyển khỏi vị trí ban đầu của chúng.
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Sự phân cực trong vật liệu ferroelectric khác biệt so với mômen lưỡng cực, bởi vì nó có sự phân cực tự phát không biến mất khi không có điện trường Khi điện trường trở về 0, sự phân cực hay dịch chuyển sẽ biến mất, nhưng trong ferroelectric, hướng của sự phân cực này có thể được đảo ngược hoặc định hướng lại thông qua việc áp dụng một điện trường thích hợp.
Chất ferroelectric được đặc trưng bởi hai trạng thái phân cực ổn định khi điện trường bằng không, có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái này khi áp dụng điện trường lớn hơn điện trường coercive (EC) Điện trường coercive là điểm mà tại đó độ phân cực hiệu dụng của chất ferroelectric trở về không Đặc điểm của chất ferroelectric cũng có thể được mô tả thông qua đường cong hysteresis của độ phân cực P hoặc độ cảm ứng điện D theo cường độ điện trường E.
Độ phân cực còn lại, 𝑃 𝑟, là biên độ của độ phân cực P khi cường độ điện trường E = 0, thường phát sinh từ sự dịch chuyển của một số ion nhất định ra khỏi vị trí cần thiết để duy trì tính trung hòa điện tích Do đó, các vật liệu ferroelectric không thể có cấu trúc centrosymmetric Trong số các ferroelectric vô cơ, các chất có cấu trúc perovskite như lead zirconi titanat (PZT) và bari titanat (BTO), cũng như cấu trúc perovskite phân lớp như stronti bismuth tantalit (SBT), đều có một ion trung tâm có khả năng chuyển đổi giữa hai vị trí ổn định.
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Hình 2.1.2 Cấu trúc mạng tinh thể của PZT và HfO 2
Ferroelectric vô cơ như polyvinylidene fluoride (PVDF) thường được đồng trùng hợp với tetrafluoroethylene (TRFE) để ổn định pha ferroelectric 𝛽 Bên cạnh đó, ferroelectric có cấu trúc fluoride, chẳng hạn như ferroelectric pha orthorhombic trong hafnium oxide (HfO2), cho phép các ion oxygen chuyển đổi giữa hai vị trí ổn định.
HZO và ferroelectric phase orthorhombic
Từ năm 2011, ferroelectricity trong các phim mỏng HZO (Hf1-xZrxO2 với x=0.5~0.7) đã thu hút sự chú ý lớn, với HZO là ứng cử viên hàng đầu cho vật liệu ferroelectric nhờ cấu trúc tinh thể fluoride, cho thấy khả năng tương thích cao với thiết bị CMOS Tính chất ferroelectric của Hf1-xZrxO2 được xác định là do sự hình thành của pha orthorhombic noncentrosymmetric Pca21, tuy nhiên, cơ chế hình thành pha này vẫn còn gây tranh cãi.
Thuyết nucleation cho thấy rằng có một nồng độ doping tối ưu để hình thành pha trong ferroelectric Pha orthorhombic không ổn định về mặt nhiệt động học ở điều kiện xử lý thông thường, trong khi pha monoclinic luôn ổn định trong mọi giá trị nồng độ và nhiệt độ Để ngăn chặn sự hình thành pha monoclinic trong quá trình ủ kết tinh, nồng độ doping cần đủ cao Khi pha monoclinic đã hình thành, việc chuyển tiếp sang pha khác có tính metastable rất khó xảy ra Trong quá trình ủ, với nồng độ doping phù hợp, sẽ thúc đẩy sự chuyển tiếp sang pha tetragonal ổn định hơn về mặt động học và ngăn chặn pha monoclinic Khi làm nguội, ở gần nhiệt độ phòng, nồng độ doping sẽ tiếp tục hỗ trợ chuyển tiếp sang pha orthorhombic ổn định hơn, đồng thời triệt tiêu pha monoclinic Tuy nhiên, nồng độ doping không nên quá cao, vì nếu không, pha tetragonal sẽ không chuyển đổi thành pha orthorhombic.
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Nồng độ doping cao làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp và gây khó khăn cho phản ứng chuyển tiếp Khoảng nồng độ doping thích hợp phụ thuộc vào loại tạp chất, trong đó quá trình chi phối là sự nucleation động học của pha tetragonal trong quá trình kết tinh và sự chuyển đổi của nó thành pha orthorhombic khi làm nguội.
Hình 2.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể của các pha ferroelectric
Nghiên cứu của nhóm Min Huyn Park năm 2018 cho thấy sự phát triển của các pha orthorhombic, tetragonal và monoclinic phụ thuộc vào thành phần, độ dày và kích thước grains Hình 2.2.2 chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng, độ ổn định của pha tetragonal cũng tăng, cho thấy entropi của pha này cao hơn so với pha monoclinic và orthorhombic Trong Hình 2.2.2 (a) và (b) có một vùng nhỏ ổn định cho pha orthorhombic, nhưng không xuất hiện trong Hình 2.2.2 (c), chứng tỏ rằng ZrO2 tinh khiết không hình thành pha orthorhombic Đồng thời, kích thước grains chủ yếu nằm trong vùng màu xanh lá cây, cho thấy pha monoclinic là pha chiếm ưu thế ở nhiệt độ phòng.
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Hình 2.2.2 trình bày giản đồ pha của thin film dày 9,2 nm gồm (a) Hf 0.5 Zr 0.5 O 2, (b) Hf 0.3 Zr 0.7 O 2, và (c) ZrO 2 với các kích thước grains và nhiệt độ khác nhau Các vùng màu xanh lá, xanh lam và đỏ tương ứng với các pha monoclinic, tetragonal và orthorhombic ổn định về mặt nhiệt động lực học, cùng với hiệu ứng năng lượng mặt phân cách/ranh giới grains Các pha trong ngoặc đơn là pha ổn định thứ hai trong vùng pha monoclinic, trong khi ranh giới màu đỏ gạch ngang thể hiện sự thay đổi của pha ổn định thứ hai Các mũi tên gạch ngang màu đỏ, xanh lá và xanh lam chỉ ra quá trình làm nguội trong quá trình ủ nhiệt nhanh (RTA) đối với các grains có bán kính nhỏ hơn 25%, 50% và 75% số grains Đồ thị bên phải hiển thị sự phân bố kích thước grains, giúp làm rõ ý nghĩa của các mũi tên đứt nét.
Hình 2.2.3 minh họa sự phân bố kích thước hạt (grains) với giới hạn được chỉ ra bằng đường thẳng đứng màu xanh lam, liên quan đến sự thay đổi pha của thin film Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 và Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 có độ dày 9,2 nm ở các nhiệt độ 800 o C, 500 o C và nhiệt độ phòng (RT).
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Hình 2.2.4 (b), (c) mô tả thí nghiệm các tinh thể nano có bán kính 2 nm với các pha orthorhombic, tetragonal và monoclinic Pha ổn định là pha orthorhombic khi nhiệt độ RTP đạt 600 °C Hình 2.2.4 (d), (e) thể hiện cấu trúc và đường cong năng lượng tự do tại nhiệt độ này, cho thấy sự giảm năng lượng tự do của pha tetragonal do entropi thấp hơn Trong khoảng 1 phút RTP ở 600 °C, kích thước tinh thể tăng, và pha ổn định chuyển sang monoclinic, nhưng do rào cản động học cao, quá trình chuyển đổi từ tetragonal sang monoclinic bị hạn chế Nếu nhiệt độ và thời gian đủ lớn để vượt qua rào cản này, pha monoclinic có thể hình thành Sau RTP, khi nhiệt độ giảm, pha orthorhombic ổn định hơn được hình thành từ pha tetragonal, ngay cả ở nhiệt độ thấp Cuối cùng, ở nhiệt độ phòng, pha orthorhombic (pha ferroelectric duy nhất) có thể xuất hiện, mặc dù vẫn là pha ổn định thứ hai so với pha monoclinic Mô hình này minh họa quy tắc bước của Ostwald, cho thấy các quá trình chuyển pha diễn ra qua các pha metastable.
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
Hình 2.2.4 Giản đồ pha cho thin film Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 dày 9,2 nm với các bán kính và nhiệt độ grains
Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh
