3 Jun

原子力显微镜案例分享 | 具有增强铁电性的超薄二氧化铪薄膜研究

研究表明超薄的掺杂HfO₂薄膜具有增强的铁电性，这一特性与其他如钙钛矿等铁电体形成了鲜明对比。压电力显微镜（PFM）以及扫描电容显微镜（SCM）均验证了厚度低至1 nm的薄膜样品也可以发生铁电极化翻转反应。

对于下一代逻辑和存储设备的研发，厚度低于2 nm的铁电薄膜是至关重要的。二氧化铪（HfO₂）由于与现代半导体的制作工艺具有较高的相容性而受到研究人员的广泛关注。然而对于许多材料，铁电响应往往随着其厚度的减小而明显减弱。

来自美国UC-Berkeley大学的研究人员凭借低温原子层沉积技术（ALD）制备了具有稳定铁电性的生长于硅上的Hf_0.8Zr_0.2O₂ (HZO)超薄薄膜。并以PFM和SCM等纳米级表征手段验证了其自发的，可翻转的极化反应。数据表明，这一特性在厚度低至两个晶胞，即1 nm左右的萤石结构HZO上仍然存在。

本文提出了一种通过利用超薄薄膜材料有限的应变来增强电极化的方式。由此制得的生长于硅/二氧化硅上的掺杂HfO₂的单片集成使得基于极化的储存单元和铁电晶体管取代当前闪存存储等主流技术成为了可能。

Instruments used

MFP-3D, Cypher

Techniques used

本文通过牛津仪器MFP-3D系列AFM的压电力显微镜（PFM）模块写入并读取了畤结构，并对极化翻转电滞回线进行了表征。本实验使用了牛津仪器原子力显微镜特有的双频追踪（DART）模式，在增强了样品较弱的铁电响应的同时也极大的减少了由样品表面形貌特征带来的串扰。研究人员也在带有干涉位移传感器（IDS）的牛津仪器Cypher系列快速扫描AFM上进行了PFM实验。IDS模块通过直接测量悬臂梁的偏转位移，消除了常见的由于静电力导致的虚假信号，并增强了实验的可重复性。Cypher系列AFM同时通过扫描电容显微镜（SCM）模块在微波频率(1.8 GHz)下对样品的微分电容进行了测量。牛津仪器推出的SCM模块和当前其他电容表征技术相比，具备着快速扫描、高灵敏度和高分辨率等显著优势。

Citation: S. Cheema, D. Kwon, N. Shanker et al., Enhanced ferroelectricity in ultrathin films grown directly on silicon. Nature 580, 478 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2208-x

Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.

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