Hafniumoxidepoeder CAS 12055-23-1

In traditionele micro-elektronische apparaten wordt siliciumdioxide gebruikt als materiaal voor de poortisolatielaag. Door de voortdurende ontwikkeling van de halfgeleidertechnologie wordt de omvang van de transistors echter voortdurend kleiner en nadert de dikte van de siliciumdioxide-poortisolatielaag geleidelijk zijn fysieke limiet. Wanneer de dikte van het poortdiëlektricum van siliciumdioxide tot op zekere hoogte afneemt, zal de poortleksituatie aanzienlijk toenemen, wat leidt tot een afname van de prestaties van de transistor en een toename van het energieverbruik.

De opkomst vanhafniumoxidepoederbiedt een effectieve manier om de bovengenoemde problemen op te lossen. Vergeleken met siliciumdioxide heeft hafniumdioxide een hogere diëlektrische constante en kan het dezelfde capaciteit bieden bij een dunnere dikte, waardoor de grootte van transistors effectief wordt verkleind. Ondertussen heeft hafniumdioxide een extreem hoge compatibiliteit met geïntegreerde schakelingen en kan het gemakkelijk worden geïntegreerd in bestaande micro-elektronische productieprocessen. Bovendien bieden de ferro-elektrische eigenschappen van hafniumdioxide nieuwe mogelijkheden voor de toepassing ervan in niet-vluchtig geheugen en andere velden.

(1) Verbeter de prestaties van de transistoren
Hafniumdioxide wordt veel gebruikt in halfgeleiderapparaten om diëlektrische lagen met een hoge -k te vervaardigen, ter vervanging van traditionele SiO₂-poortisolatielagen. De diëlektrische laag met hoge-k kan poortlekkage effectief verminderen, de aandrijfstroom en schakelsnelheid van de transistor verbeteren en de prestaties van de transistor aanzienlijk verbeteren. Toen Intel bijvoorbeeld het fabricageproces van 65 nanometer introduceerde.

Hoewel het alles in het werk had gesteld om de dikte van het siliciumdioxide-poortdiëlektricum terug te brengen tot 1,2 nanometer, namen de problemen met het stroomverbruik en de warmtedissipatie toe toen de transistor werd verkleind tot atomaire afmetingen, wat resulteerde in stroomverspilling en onnodige warmte-energie, en de leksituatie aanzienlijk toegenomen. Om dit probleem op te lossen gebruikte Intel dikkere materialen met een hoge -K (op hafnium gebaseerde materialen) als poortdiëlektrica in plaats van siliciumdioxide, waardoor de lekkage met meer dan tien keer werd verminderd.

(2) Verklein de apparaatgrootte
Met de voortdurende vooruitgang van geavanceerde procesknooppunten stellen micro-elektronische apparaten steeds hogere eisen aan de grootte. De hoge diëlektrische constante van hafniumdioxide maakt het mogelijk om voldoende capaciteit te bieden bij dunnere diktes, waardoor wordt voldaan aan de vraag naar voortdurend kleiner wordende apparaatafmetingen. Vergeleken met de vorige generatie 65 nanometer-technologie verhoogt het 45 nanometer-proces waarbij hafniumdioxide als poortdiëlektricum wordt gebruikt de transistordichtheid met bijna twee keer, waardoor een toename van het totale aantal transistors of een verkleining van de processorgrootte mogelijk is.

(3) Verminder het energieverbruik
De toepassing van een diëlektrische laag met een hoge{0}}k-waarde van hafniumdioxide kan ook effectief het energieverbruik van micro-elektronische apparaten verminderen. Door poortlekkage te verminderen en de schakelsnelheid van transistors te verhogen, kan hafniumdioxide het energieverlies tijdens de werking van het apparaat verminderen, de levensduur van de batterij verlengen en de energie-efficiëntie van apparatuur verbeteren.

(1) Ontdekkings- en toepassingsvooruitzichten van ferro-elektriciteit
In 2011 bereidde het R&D-team van de NaMLab-startup voor elektronische materialen, opgericht door Qimonda Semiconductor Company en de Technische Universiteit van Dresden in Duitsland, dunne HfO₂-films gedoteerd met siliciumdioxide met een dikte van minder dan 10 nm door middel van atomaire laagdepositietechnologie, en observeerde de unieke hysteresislus van ferro-elektrische materialen voor het eerst in experimenten. Deze ontdekking legde de basis voor de toepassing van hafniumdioxide op het gebied van ferro-elektrisch geheugen. Ferro-elektrisch geheugen heeft de voordelen van niet-vluchtig, hoge- lees- en schrijfsnelheid en een laag stroomverbruik, en wordt beschouwd als een belangrijke ontwikkelingsrichting voor de volgende generatie geheugen.

(2) Werkingsprincipe van ferro-elektrisch geheugen
Ferro-elektrisch geheugen maakt gebruik van de ferro-elektriciteit van ferro-elektrische materialen om gegevens op te slaan en te lezen. Ferro-elektrische materialen hebben spontane polarisatie-eigenschappen en de polarisatierichting kan worden omgekeerd onder invloed van een extern elektrisch veld. In ferro-elektrisch geheugen wordt de polarisatierichting van ferro-elektrische materialen veranderd door verschillende elektrische velden aan te leggen om verschillende gegevenstoestanden weer te geven (zoals "0" en "1"). Vanwege de stabiele polarisatietoestand van ferro-elektrische materialen, zelfs na verwijdering van een extern elektrisch veld, heeft ferro-elektrisch geheugen niet-vluchtige eigenschappen.

(3) Voordelen van ferro-elektrisch geheugen van hafniumdioxide
Vergeleken met traditionele ferro-elektrische materialen heeft het ferro-elektrische geheugen van hafniumdioxide de volgende voordelen:

Goede compatibiliteit met CMOS-technologie: Hafniumdioxide kan eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande CMOS-productieprocessen, waardoor de productiekosten en procesmoeilijkheden worden verlaagd.
Klein formaat: Hafniumdioxide kan ferro-elektriciteit bereiken bij dunnere diktes, wat gunstig is voor het verkleinen van de geheugengrootte en het verbeteren van de integratie.

Stabiele prestaties: Hafniumdioxide heeft een goede chemische en thermische stabiliteit, waardoor stabiele prestaties in ruwe omgevingen kunnen worden gehandhaafd en de betrouwbaarheid van het geheugen kan worden verbeterd.

(4) Onderzoeksvoortgang en aanvraagstatus
De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar de ferro-elektriciteit van hafniumdioxide. Er zijn al bedrijven in het buitenland die prototypes hebben geproduceerd voor op HfO2 - gebaseerd ferro-elektrisch geheugen.

En verschillende bedrijven zijn bezig met de ontwikkeling van drie-dimensionale geïntegreerde logische circuits.

Op het gebied van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek wordt er steeds meer gewerkt aan de ferro-elektriciteit van HfO2, en de oorsprong, structurele faseovergang, apparaatproductie en energietoepassingen van de ferro-elektriciteit zijn de belangrijkste onderzoeksrichtingen. Momenteel bevindt het ferro-elektrisch geheugen van hafniumdioxide zich echter nog in de onderzoeks- en experimentele fase, en er is nog een zekere afstand te gaan voordat commerciële toepassingen op grote schaal- kunnen worden toegepast.

(1) Diëlektrische keramiek
Het kan ook worden gebruikt voor de vervaardiging van diëlektrische keramiek, dat isolatie, filtering en andere rollen speelt in micro-elektronische apparaten. Dankzij de hoge diëlektrische constante en uitstekende isolatieprestaties kan diëlektrische keramiek goede prestaties behouden in ruwe omgevingen zoals hoge frequentie en hoge temperaturen, waardoor de betrouwbaarheid en stabiliteit van micro-elektronische apparaten worden verbeterd.

(2) Microcondensatoren
In micro-elektronische circuits zijn condensatoren een belangrijk onderdeel. Hafniumdioxide kan worden gebruikt om microcondensatoren te vervaardigen, waardoor stabiele capaciteitswaarden voor circuits worden verkregen. Vergeleken met traditionele condensatormaterialen hebben hafniumdioxide-microcondensatoren voordelen zoals een klein volume, een grote capaciteitswaarde en stabiele prestaties, die gunstig zijn voor het verbeteren van de integratie en prestaties van circuits.

(3) Coatingmaterialen
Het heeft een goede slijtvastheid en corrosiebestendigheid en kan worden gebruikt als coatingmateriaal voor de vervaardiging van micro-elektronische apparaten. Het coaten van een laag hafniumdioxide op het oppervlak van een halfgeleiderchip kan de chip bijvoorbeeld beschermen tegen erosie van buitenaf en de betrouwbaarheid en levensduur van de chip verbeteren.