Chip đã dùng hafnium oxide nhiều năm: Vật liệu quen thuộc này còn có một “công tắc điện” ở độ dày 0,6 nanomet

Hafnium oxide không phải vật liệu xa lạ với ngành bán dẫn. Dưới tên hafnia (HfO₂), nó thuộc họ điện môi high-k đã được đưa vào công nghệ CMOS từ nhiều năm trước. Nhưng một nghiên cứu vừa công bố trên Science cho thấy vật liệu quen thuộc này còn có một hành vi điện khác: trong cấu trúc và điều kiện phù hợp, hafnia có thể là một chất phản sắt điện nội tại, và trật tự đó vẫn tồn tại khi màng mỏng chỉ khoảng 0,6 nanomet.

Con số 0,6 nm dễ gây ấn tượng, nhưng phát hiện quan trọng hơn nằm ở câu hỏi mà nhóm nghiên cứu muốn giải quyết: hành vi phản sắt điện từng quan sát ở hafnia có thực sự xuất phát từ cấu trúc của vật liệu, hay chỉ là hiệu ứng giả do điện tích bị bẫy, khuyết tật và các giao diện trong màng mỏng? Kết quả mới nghiêng mạnh về khả năng thứ nhất.

“Công tắc” này thực chất là gì?

Trong vật liệu sắt điện, các lưỡng cực điện có thể tạo ra một phân cực tổng thể và hướng phân cực đó có thể được đảo bằng điện trường. Chất phản sắt điện hoạt động khác: các lớp hoặc phân mạng lưỡng cực lân cận có xu hướng hướng ngược nhau, khiến phân cực tổng thể gần như triệt tiêu khi không có điện trường ngoài.

Khi đặt một điện trường đủ mạnh, cấu hình phản cực đó có thể chuyển sang trạng thái phân cực, với các dịch chuyển nguyên tử trở nên cùng hướng hơn. Khi điện trường được bỏ đi, vật liệu có thể trở về trạng thái phản cực. Vì thế, “công tắc điện” ở đây không phải một transistor siêu nhỏ được giấu bên trong hafnia, mà là chuyển pha điện trường giữa trạng thái antipolar và polar.

Dấu hiệu điện đặc trưng của quá trình này là một vòng trễ kép — double hysteresis loop. Nhóm nghiên cứu cho biết họ không chỉ quan sát tín hiệu điện này mà còn kiểm tra các dấu hiệu cấu trúc tương ứng, gồm những phân mạng phân cực ngược chiều và ranh giới giữa các pha.

Vì sao 0,6 nanomet lại đáng chú ý?

Nghiên cứu mang tên Antiferroelectric hafnia down to the 2D limit khảo sát các màng hafnia đơn tinh thể pha lanthanum, định hướng (111), được tăng trưởng epitaxy trên zirconia ổn định bằng yttria. Màng được tạo bằng phương pháp pulsed laser deposition, còn nền tinh thể tạo ứng suất nén giúp ổn định cấu trúc trực thoi phản cực.

Thông thường, khi một vật liệu chức năng bị làm mỏng tới vài lớp nguyên tử, hiệu ứng bề mặt, giao diện và mất ổn định cấu trúc có thể làm suy yếu trật tự điện bên trong. Ở đây nhóm nghiên cứu báo cáo xu hướng ngược lại: ứng suất nén làm trật tự trực thoi phản sắt điện mạnh hơn khi màng mỏng đi, và hiệu ứng vẫn tồn tại ở khoảng 0,6 nm — giới hạn mà nhóm gọi là hai chiều.

Nhóm còn báo cáo nhiệt độ trật tự đạt tới khoảng 850°C ở giới hạn này. Điều đó không có nghĩa một linh kiện nhớ thương mại dùng hafnia đã được chứng minh hoạt động ở 850°C; đây là thông tin về độ ổn định của pha phản sắt điện trong hệ vật liệu thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu đã phân biệt phản sắt điện thật với hiệu ứng giả ra sao?

Đây là phần quan trọng nhất của công trình. Hafnia đã được nghiên cứu mạnh về tính sắt điện từ hơn một thập niên, và những đường cong điện trông giống phản sắt điện cũng từng được ghi nhận. Vấn đề là một đường cong điện bất thường tự nó chưa đủ để chứng minh bản chất phản sắt điện: điện tích mắc kẹt, sự tái phân bố điện tích hoặc các pha tinh thể khác nhau cũng có thể làm phép đo trở nên khó diễn giải.

Công trình mới kết hợp nhiều lớp bằng chứng. Các phép đo điện và scanning probe microscopy xác nhận khả năng chuyển giữa trạng thái phản cực và phân cực. Kính hiển vi điện tử độ phân giải nguyên tử được dùng để kiểm tra cấu trúc, trong khi mô hình lý thuyết cho thấy kết quả thực nghiệm phù hợp với trạng thái phản sắt điện của hafnia dưới ứng suất nén. Nhóm cũng đối chiếu pha trực thoi phản cực với mô hình Kittel dành cho phản sắt điện.

Điểm này giúp thu hẹp một tranh luận lâu nay: ít nhất trong các màng đơn tinh thể chất lượng cao và điều kiện ứng suất được kiểm soát của thí nghiệm, phản sắt điện không cần được giải thích như một sản phẩm phụ của bẫy điện tích.

Hafnia đã ở trong chip, nhưng chưa phải cùng một thứ

Đây cũng là nơi cần thận trọng với cách diễn giải kết quả. Hafnium oxide đúng là vật liệu tương thích CMOS và họ vật liệu này đã có vị trí lâu năm trong công nghệ bán dẫn. Nhưng mẫu của nghiên cứu không tương đương lớp HfO₂ điện môi đang nằm trong một CPU hay smartphone hiện nay.

Nhóm sử dụng hafnia pha lanthanum, đơn tinh thể, tăng trưởng epitaxy trên một nền tinh thể tạo ứng suất nén. Đây là cấu trúc được thiết kế để ổn định pha phản sắt điện cần nghiên cứu. Quy trình pulsed laser deposition và nền đơn tinh thể cũng khác đáng kể so với các quy trình lắng đọng màng mỏng quy mô wafer thường dùng trong fab bán dẫn.

Vì vậy, kết quả hiện tại nên được xem là bằng chứng vật lý ở cấp vật liệu, chưa phải một quy trình chế tạo linh kiện sẵn sàng đưa vào dây chuyền CMOS.

Tại sao ngành điện tử vẫn quan tâm?

Chất phản sắt điện hấp dẫn vì quá trình chuyển trạng thái có thể hấp thụ rồi giải phóng năng lượng điện. Điều này khiến chúng được nghiên cứu cho tụ điện mật độ năng lượng cao. Sự phụ thuộc của entropy và nhiệt độ vào điện trường cũng tạo hướng nghiên cứu cho làm lạnh trạng thái rắn, còn khả năng điều khiển các trạng thái phân cực có thể được khai thác trong kiến trúc bộ nhớ.

Hafnia có một lợi thế thực tế hiếm gặp: nền tảng vật liệu của nó đã quen thuộc với ngành bán dẫn và không phụ thuộc vào chì như nhiều chất phản sắt điện truyền thống. Điều đó không tự động giải quyết bài toán tích hợp, nhưng nó khiến câu hỏi “có thể biến hiệu ứng này thành linh kiện hay không?” đáng để theo đuổi hơn so với một vật liệu hoàn toàn xa lạ với CMOS.

Bước tiếp theo vì thế không còn đơn thuần là chứng minh hafnia có thể phản sắt điện. Thách thức là tái tạo pha này trong các màng và cấu trúc phù hợp với sản xuất bán dẫn: kiểm soát ứng suất mà không phụ thuộc vào nền đơn tinh thể đặc biệt, duy trì hiệu ứng trên diện tích lớn, đo độ bền qua nhiều chu kỳ chuyển trạng thái và xác định điện áp vận hành thực tế.

Nếu những bài toán đó được giải quyết, điều thú vị của hafnia sẽ không phải là ngành chip tìm thấy một vật liệu mới. Ngược lại: một vật liệu vốn đã ở rất gần transistor hiện đại có thể còn một chế độ hoạt động mà kỹ sư chưa khai thác hết.

Nguồn: Xin Li và cộng sự, Science, DOI 10.1126/science.ady5526; University of Nebraska–Lincoln.