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Ultrathin ferroic HfO2–ZrO2 superlattice gate stack for advanced transistors

材料科学 堆栈(抽象数据类型) 光电子学 晶体管 超晶格 纳米技术 计算机科学 电气工程 电压 工程类 程序设计语言
作者
Suraj Cheema,Nirmaan Shanker,Li‐Chen Wang,Cheng‐Hsiang Hsu,Shang‐Lin Hsu,Yu-Hung Liao,Matthew San Jose,Jorge Gómez,Wriddhi Chakraborty,Wenshen Li,Jong‐Ho Bae,Steve Volkman,Daewoong Kwon,Yoonsoo Rho,Gianni Pinelli,Ravi Rastogi,Dominick Pipitone,Corey Stull,Matthew Cook,Brian Tyrrell
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:604 (7904): 65-71 被引量:342
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04425-6
摘要

With the scaling of lateral dimensions in advanced transistors, an increased gate capacitance is desirable both to retain the control of the gate electrode over the channel and to reduce the operating voltage1. This led to a fundamental change in the gate stack in 2008, the incorporation of high-dielectric-constant HfO2 (ref. 2), which remains the material of choice to date. Here we report HfO2–ZrO2 superlattice heterostructures as a gate stack, stabilized with mixed ferroelectric–antiferroelectric order, directly integrated onto Si transistors, and scaled down to approximately 20 ångströms, the same gate oxide thickness required for high-performance transistors. The overall equivalent oxide thickness in metal–oxide–semiconductor capacitors is equivalent to an effective SiO2 thickness of approximately 6.5 ångströms. Such a low effective oxide thickness and the resulting large capacitance cannot be achieved in conventional HfO2-based high-dielectric-constant gate stacks without scavenging the interfacial SiO2, which has adverse effects on the electron transport and gate leakage current3. Accordingly, our gate stacks, which do not require such scavenging, provide substantially lower leakage current and no mobility degradation. This work demonstrates that ultrathin ferroic HfO2–ZrO2 multilayers, stabilized with competing ferroelectric–antiferroelectric order in the two-nanometre-thickness regime, provide a path towards advanced gate oxide stacks in electronic devices beyond conventional HfO2-based high-dielectric-constant materials. In the standard Si transistor gate stack, replacing conventional dielectric HfO2 with an ultrathin ferroelectric–antiferroelectric HfO2–ZrO2 heterostructure exhibiting the negative capacitance effect demonstrates ultrahigh capacitance without degradation in leakage and mobility, promising for ferroelectric integration into advanced logic technology.
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