Newswise — Корейский институт материаловедения (KIMS) объявил, что доктор Ён-Хун Ким из отдела исследования материалов в области энергетики и окружающей среды и доктор Кён Сон из Центра характеристики материалов в сотрудничестве с командой профессора Хён-Сан Хвана из POSTECH, успешно разработали революционную технологию гетероперехода. Эта технология объединяет дисульфид вольфрама (WS₂), двумерный (2D) материал, с оксидом гафния-циркония (HZO), сегнетоэлектрическим материалом, обеспечивая как межфазную стабильность, так и превосходную кристалличность. Результаты были приняты на Международной конференции по электронным устройствам 2024 (IEDM 2024), одной из трех крупнейших мировых конференций по полупроводникам, которую часто называют «Олимпиадой полупроводников».

Дисульфид вольфрама (WS₂) представляет собой двумерный материал, состоящий из вольфрама и серы, характеризующийся сверхтонкой атомно-слоевой структурой. Несмотря на свою нанометровую толщину, он сохраняет уникальные свойства, что делает его очень подходящим для применения в полупроводниках и устройствах хранения энергии. Сегнетоэлектрики, такие как HZO, демонстрируют спонтанную поляризацию даже в отсутствие внешнего электрического поля и являются неотъемлемой частью энергонезависимых запоминающих устройств, сохраняющих информацию без питания. Среди сегнетоэлектрических материалов HZO особенно известен своими прочными сегнетоэлектрическими свойствами.

В этом исследовании была рассмотрена проблема межфазной стабильности, критического ограничения в технологии сегнетоэлектрических устройств, и улучшена однородность характеристик устройств за счет контроля кристалличности HZO. Межфазная стабильность означает способность минимизировать физические и химические изменения на границе между двумя материалами, тем самым сохраняя внутренние свойства материалов с течением времени. В полупроводниковых устройствах более высокая межфазная стабильность напрямую способствует сохранению производительности без ухудшения, что тесно связано с общей надежностью полупроводника.

Традиционное осаждение HZO на основе атомно-слоевого осаждения (ALD) сталкивается с рядом проблем. Одна из основных проблем заключается в том, что во время осаждения HZO на нижележащий электрод воздействие высоких температур и кислорода вызывает нежелательные химические реакции. Это приводит к образованию тонкого оксидного слоя, ухудшающего сегнетоэлектрические свойства HZO. Кроме того, высокотемпературный отжиг, который необходим для активации сегнетоэлектрических свойств HZO, заставляет атомы кислорода на поверхности тонкой пленки HZO мигрировать к электроду. Это не только создает дефекты, такие как кислородные вакансии, на поверхности HZO, но также приводит к изменчивости сегнетоэлектрических характеристик в зависимости от рабочих циклов.

Чтобы преодолеть эти проблемы, было важно обеспечить стабильность интерфейса между электродом и HZO. Исследовательская группа решила эту проблему, вставив слой дисульфида вольфрама (WS₂), чтобы сохранить межфазную стабильность между нижележащим электродом и HZO. Этот подход свел к минимуму нежелательные химические реакции, защитил поверхность подлежащего электрода и контролировал миграцию атомов кислорода на поверхности тонкой пленки HZO. В результате команда успешно добилась стабильных межфазных свойств, максимально увеличив сегнетоэлектрические характеристики HZO.

Еще одним серьезным препятствием на пути коммерциализации сегнетоэлектриков на основе HZO является неупорядоченная ориентация наноразмерных доменов, что приводит к несогласованности характеристик устройств и проблемам с обеспечением надежности. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала сходство между постоянной решетки дисульфида вольфрама (WS₂) и межплоскостным расстоянием конкретных плоскостей HZO. Это сходство позволило добиться превосходной кристалличности при объединении материалов. Контролируя направленное выравнивание доменов материала и максимизируя однородность их ориентации, команда смогла значительно повысить надежность устройств.

Технология гетероперехода, объединяющая двумерный дисульфид вольфрама и HZO, считается крупным технологическим прорывом в разработке энергонезависимых запоминающих устройств нового поколения на основе сегнетоэлектриков. Дисульфид вольфрама защищает основной электрод в высокотемпературных средах, а также способствует выравниванию доменов, что приводит к значительному улучшению характеристик сегнетоэлектрических устройств.

Доктор Йонг-Хун Ким, ведущий исследователь KIMS, заявил: «Мы решили критическую проблему контроля неупорядоченных доменов, которая была самым большим препятствием на пути коммерциализации устройств энергонезависимой памяти на основе HZO, тем самым добившись характеристик энергонезависимой памяти. с высокой надежностью и долговечностью». Исследовательская группа продолжает оптимизировать производительность устройств в низкотемпературных процессах (ниже 400°C), подходящих для применения в полупроводниковом производстве (BEOL).

Это исследование финансировалось Министерством науки и информационных технологий, программой фундаментальных исследований Корейского института материаловедения, программой исследовательской группы Global TOP Strategy, финансируемой Национальным исследовательским советом по науке и технологиям, и программой ведущих исследователей Национального исследовательского совета. Исследовательский фонд Кореи. Результаты будут представлены Сын-Квон Хваном, аспирантом KIMS и первым автором статьи, на Международной конференции по электронным устройствам (IEDM) 2024 в Сан-Франциско, США, 11 декабря.

————————————————— ———————

###

О Корейском институте материаловедения (KIMS)

KIMS — это некоммерческий научно-исследовательский институт, финансируемый государством, при Министерстве науки и информационных технологий Республики Корея. Будучи единственным институтом, специализирующимся на комплексных технологиях материалов в Корее, KIMS внес свой вклад в корейскую промышленность, выполняя широкий спектр деятельности, связанной с материаловедением, включая исследования и разработки, проверки, испытания и оценку, а также технологическую поддержку.